顶煤冒落影响因素的分析

吴利军

(大同煤矿集团同家梁矿)

顶煤冒落影响因素的分析

吴利军

(大同煤矿集团同家梁矿)

放顶煤开采是我国应用非常广泛的开采方法。分别从地质赋存，即开采深度、煤层强度、顶煤裂隙发育、夹石层以及顶板岩层5个部分；开采技术，即采放比、放煤步距、放煤口的位置和大小以及机采高度4个部分，对影响放顶煤回收效果进行了分析。

综放 顶煤冒落 影响因素

长期以来，煤炭在我国的能源结构中都占有十分重要的位置，实现矿井高效安全生产，提高煤炭生产能力具有非常重要的实际意义。

放顶煤开采技术是在20世纪初期欧洲国家开采复杂地质条件下的煤炭开始出现的，之后，很多西方的产煤大国都采用了这一方法[1]。由于受到很多因素的影响，目前国外采用这一开采技术的国家为数不多。但在我国得到了大量的应用，也取得了良好的实际效果[2]。

放顶煤技术适宜开采厚及特厚煤层，通过在厚煤层下布置工作面，随着工作面不断推移，由于前方支承力影响，工作面上部的煤会被压裂破碎，并在支架后端冒落，以此采出煤体。采用放顶煤开采法，即是在普通长臂采煤法的基础上增加了支架后部的一个顶煤回收系统，由两个采煤点组成一个工作面。

由于该方法利用矿压主动压碎煤体，因此有必要研究煤体的地质赋存条件和开采技术条件来对煤体破碎冒落的影响程度，为煤炭企业生产提供指导。

1 地质赋存条件的影响

1.1 开采深度

巷道围岩压力和顶板支撑压力受煤层开采深度的直接影响，煤体内部应力随着采深增加逐渐变大，其破坏力也加大[3]。此外，工作面煤壁前方的支撑压力会对顶煤的变形、破碎、垮落产生直接影响。见图1。

1.2 煤层强度

煤层强度是煤层本身承受破坏难易程度的一个参数，是由裂隙发育程度、煤体硬度、厚度等多个因素组成的综合参数。煤层强度越大，顶煤破碎所需的压力也就越大，开采难度也就越大。

图1 顶煤变形范围示意

1.3 顶煤裂隙发育

煤层在漫长的地质发展形成过程中经历了很多的地质构造运动，使得煤层中存在很多裂隙。在之后的采动影响下，既会产生新的裂隙，也会使原生裂隙发育，顶煤的变形和破坏冒落其实就是裂隙的发展与贯通。破碎冒落程度是由裂隙的密度和方向决定的，裂隙发育明显的煤层中，煤体比较容易破碎，顶煤比较容易放出。

1.4 夹石层

厚煤层中通常都含有着不同厚度、不同层数的夹石层。如果夹石层厚度在采高范围内，对放顶煤开采没有影响；如果夹石层厚度超过采高，则其厚度和强度的变化会直接影响顶煤的破碎程度和冒落效果。

另外，夹石层在顶煤中的层位也会影响顶煤的冒落效果。如果夹石层在下部，对顶煤冒放效果没有影响；如果在中部，夹石层是伪顶，会受到支架的反复作用，容易冒落，可以通过放煤口放出，如果不是伪顶，则对顶煤冒放性影响最大，可能造成顶煤悬而不冒，严重影响顶煤出煤率；如果在上部，夹石层上的顶煤厚度一般比较小，如果夹石层薄就一并冒落放出，如果夹石层厚则难以冒落。

1.5 顶板岩层的影响

煤层顶板是由直接顶和老顶组成，其中直接顶只影响顶煤冒落效果，不影响其破碎效果；而老顶则相反，主要影响其破碎效果。坚硬的老顶，来压步距比较大，压力就比较大，破坏能力也就比较强。

2 开采技术的影响

如果顶煤破碎充分，放顶煤技术就与开采技术和工艺参数密切相关。开采技术和参数选择合适，顶煤放落就比较容易，回收率就比较高；反之，则影响煤炭回收率。

2.1 采放比

一般认为，在特厚煤层放顶煤开采时，采高愈大，对顶煤的破碎冒落就越有利，煤体回收率也越高[4]。但是，由于受到液压支架等设备的影响，采高不能无限制的增大。所以，在一定条件下，需要将采高与液压支架合理配置。

通常，软煤层中顶煤冒放相对较好，采高太大不易控制，需要缩小采放比，体现放顶煤的优势；中硬煤层中则需要增大采高，提升采放比，提高顶煤放落的空间和冒落效果。

2.2 放煤步距

在放顶煤开采中，放煤步距与顶煤的落放距离有直接关系。合理的放煤步距必须能够与顶煤厚度、支架类型、顶煤垮落角度等多个因素关联。采放比确定之后，最合理的放煤步距能够使顶煤与采空区侧的岩石一起到达放煤口。图2为不同放矿步距下的放煤示意图。图2(a)放煤步距过大，顶煤落下先到达了出煤口，采空区矸石无法放下；图2(b)步距合理，顶煤与采空区矸石同时到放煤口；图2(c)放煤步距过小，采空区后方的矸石先到达出煤口。根据大量的理论分析和实践经验总结，得出了放煤步距的经验计算公式[5]：

L=(0.15～0.21)h ，

(1)

式中，L为放顶煤步距；h为放煤口与煤层顶板的垂直距离。

图2 不同放煤步距对放顶煤开采的影响

2.3 放煤口的位置与大小

综放工作面液压支架放煤口的位置和大小，对顶煤的放出形态和放出速度有重要的影响。一般根据放煤口位置，把放顶煤液压支架分为3大类：即高位放顶煤支架、中位放顶煤支架和低位放顶煤支架。

由于单支架放煤时放煤口尺寸有限，在实际生产中，可以通过两架或者多架同时放煤和升架，提高放煤尺寸。

2.4 机采高度

大采高综放工作面，由于割煤高度变大，导致顶煤厚度有所下降，所以工作面矿压会发生一定的变化。根据文献资料可知，顶煤塑性破坏系数与采高之间存在的关系为

γ=1.872 8e0.249 4Mc，

(2)

式中，γ为顶煤塑性破坏系数；MC为机采高度。

从式(2)中可以看出，γ是随MC增加而不断变大的。所以，在一定情况下，通过增大MC能够有效增强放煤效果。但是，机采高度过大可能导致顶板冒落，带来安全隐患。

3 结 语

从地质赋存条件和开采技术条件两个方面，分析了影响放顶煤冒落效果的因素。采用放顶煤开采具有以下优势,值得推广：①开采强度有所提高，开采作业时，受厚度影响比较小，可以做到一次采全高；②在长臂采煤法中增加了一个出煤点，共用刮板输送机，减少了工作面的初次投资，节省了材料费用；③放顶煤开采技术主动利用了矿压，以此完成落煤环节，节约了电能，提高了经济效益；④巷道布置简单，节省了掘进工作量，减少了搬家次数；⑤两个出煤点同时出煤，提高了工作面产能。

[1] 王 君.厚煤层大采高综放开采的煤岩冒放规律及放煤工艺参数研究[D].徐州：中国矿业大学，2008.

[2] 祝灵甫,闫少宏.大采高综放开采顶煤运移规律的数值模拟研究[J].煤矿开采,2011,16(1):11-14.

[3] 韩义斌,窦胜波,郭 超.松软厚煤层综放工作面顶煤运移规律研究[J].山东煤炭科技,2014(12): 18-20.

[4] 王进学,王家臣,陈忠辉.“两硬”浅埋深厚煤层顶煤顶板运移规律研究[J].采矿与安全工程学报,2006,23(2):228-232.

[5] 宋金旺,高润平,王爱午.塔山矿特厚煤层放顶煤开采顶煤运移规律及其开采工艺的研究[J].中国西部科技,2010(9):6-7.

2015-04-20)

吴利军(1988—)，男，科长，助理工程师，037025 山西省大同市。