综放工作面顶煤冒落影响因素分析

陈学平

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西　太原　030024；2.大同煤矿集团 朔州朔煤小峪煤矿, 山西　朔州　038300)



综放工作面顶煤冒落影响因素分析

陈学平1,2

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西太原030024；2.大同煤矿集团 朔州朔煤小峪煤矿, 山西朔州038300)

摘要放顶煤开采是我国应用非常广泛的一种开采方法，主要原理是利用矿压压碎煤体造成冒落，最后从支架的放煤口放出，所以, 顶煤的破碎冒落情况是关键所在。本文分别从地质赋存条件以及开采技术条件这两个方面，对影响放顶煤回收效果的主要因素进行了分析。地质赋存方面，主要从开采深度、煤层强度、顶煤裂隙发育、夹石层以及顶板岩层5个部分进行分析；开采技术方面，主要从采放比、放煤步距、放煤口的位置和大小以及机采高度4个部分进行分析。

关键词综放工作面；顶煤；冒落；因素

长期以来，煤炭在我国的能源结构中都占有重要位置。在这样的情况下，如何依靠科学技术的进步，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世纪初期开始出现的，主要是欧洲国家用于开采复杂地质条件下的煤炭，之后，很多西方的产煤大国都开始采用这一方法。由于受到很多因素的影响，目前国外采用放顶煤开采的国家只剩少数几个，然而这一方法在我国得到了大量的应用，也取得了良好的实际效果。

放顶煤技术是开采厚及特厚煤层的一种方法。在厚煤层下布置工作面，随着工作面不断推移，由于受到前方支承力影响，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。放顶煤开采法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，由两个采煤点组成了一个工作面。其优点可以概括为以下几点：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) 放顶煤开采技术对矿压进行了主动利用，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，提高了工作面的产能。

由于主动利用了矿压来压碎煤体，因此，研究煤体破碎冒落的影响因素是非常重要的，可以为煤炭企业的生产提供实际指导。

1主要因素分析

1.1地质赋存

1) 开采深度。

井下开采作业时，巷道围岩压力和顶板的支撑压力受到煤层开采深度的直接影响。煤体内部的应力随着深度变深而逐渐变大，其破坏力也就越大。顶煤变形范围示意图见图1.

由图1可知，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。煤层深度越大，对煤体产生的作用力也越大，直接影响到煤体的破碎。

2) 煤层强度。

煤层强度是体现煤层本身受破坏的难易程度的参数。但是，煤层强度不是一个参数，而是由裂隙发育程度、煤体硬度、厚度等多个因素组成的一个综合参数。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。

Ⅰ—完整区　Ⅱ—破坏发展区

3) 顶煤裂隙发育。

随着漫长的地质发展，煤层的形成经历了很多的地质构造运动，使得煤层中存在很多的裂隙。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，这也是控制顶煤破碎冒落程度的一个主要因素，顶煤破碎冒落程度是由裂隙的密度和方向所决定的。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。

4) 夹石层。

厚煤层中通常都含有不同厚度、不同层数的夹石层。如果夹石层距离在采高范围内时，对于放顶煤开采是没有影响的。如果夹石层距离超过采高，那么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。

除了厚度以外，夹石层在顶煤中的层位也会影响顶煤的冒落效果。通常，下部夹石层对顶煤冒放效果没有影响；如果中部夹石层是伪顶，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；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。

5) 顶板岩层的影响。

煤层顶板是由直接顶和老顶组成的。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。

1.2开采技术

前面分析了影响顶煤破碎以及冒落效果的地质条件因素。如果顶煤破碎充分，那么采用放顶煤技术的煤炭回收情况就和开采技术、工艺参数有着密切的联系。如果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。主要的技术因素可以总结为下面几点：

1) 采放比。

一般认为，在特厚煤层放顶煤开采时，采高愈大，对于顶煤的破碎冒落就越有利，煤体整体的回收率也越高。但是，由于受到液压支架等设备的影响，采高不能无限制地增大。所以，在一定条件下，如何使采高与液压支架合理配置是一个重要的问题。

通常，软煤层中顶煤冒放性相对较好但采高太大不容易控制，此时需要缩小采放比，体现放顶煤的优势；而中硬煤层中，就需要增大采高，提升采放比，以此来提高顶煤放落的空间，从而提高冒落效果。

2) 放煤步距。

在放顶煤开采技术中，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，最合理的放煤步距是能够使顶煤与采空区侧的岩石一起到达放煤口。步距过大、合理、过小3种情况下的放煤示意图见图2.

图2　不同放煤步距对放顶煤开采的影响示意图

其中，图2a)放煤步距过大，顶煤落下先到达出煤口，采空区矸石无法放下。图2b)是合理步距，顶煤与采空区矸石同时到达放煤口。图2c)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：

L= (0.15～0.21)h

(1)

式中：

L—放顶煤步距,m；

h—放煤口与煤层顶板的垂直距离,m.

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着重要的影响。一般根据放煤口位置，把放顶煤液压支架分为3类：高位放顶煤支架、中位放顶煤支架和低位放顶煤支架。

放煤口的大小是由长和宽决定的。由于支架单独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。

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一定的关系：

γ=1.872 8e0.249 4Mc

(2)

式中：

γ—顶煤塑性破坏系数；

MC—机采高度，m.

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，带来安全隐患或者造成安全事故。

2总结

1) 介绍了放顶煤开采的优势，并从地质赋存条件和开采技术条件对影响放顶煤冒放效果的因素进行了分析。

2) 对地质赋存方面影响因素的分析表明：开采深度越大、裂隙发育越明显，煤体越容易破碎；煤层强度越大，开采难度越大。另外，夹石层位置以及顶板岩层对煤体破碎也有一定影响。

3) 对机采高度这一因素的分析表明：随着机采高度的增加，应力增高区域会变大，会加强顶煤的破碎作用。另外，从采放比、放煤步距、放煤口的位置和大小等方面进行了分析，为确定合理的放煤工艺参数提供一定的依据。

参考文献

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·问题探讨·

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Analysis of the Influencing Factors of Top Coal

Caving in Fully Mechanized Working Face

CHEN Xueping

AbstractIt is a widely used mining method of top coal caving in our country, the main principle is using mine pressure crush coal, lead to coal caving, finally releases the coal from drawing opening of the support, so the key is broken caving situation of top coal. The major factors of influencing top coal caving recovery effect are analyzed from geological occurrence conditions and mining conditions. Geological occurrence conditions is mainly analyzed from mining depth, seam strength, top coal fracture development, dirt band and roof strata. Mining technology is mainly analyzed from mining and caving ratio, drawing interval, drawing opening position and size and machine mining height.

Key wordsFully mechanized caving face; Top coal; Caving; Factors

中图分类号：TD823.4+9

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)05-0047-03

作者简介：陈学平(1985—)，男，山西大同人，2009年毕业于大同大学，助理工程师，主要从事煤矿管理工作

收稿日期：2014-03-25