放顶煤技术在煤炭开采的适用性研究

曹 伟

(山西宁武大运华盛南沟煤业有限公司，山西 宁武 036700)

引 言

据统计表明，我国每年煤炭产量及消耗量均在全球占据前列。可想而知，煤炭对我国国民经济、人民生活水平提升的必要性和重要性。随着科学技术和自动化水平的不断进步，我国煤炭开采已经步入综采自动化时代，其开采效率及安全性均得到了前所未有的提升。实际生产中，只有在开采技术与煤层所处地质条件相匹配的情况下才能将综采工作面大型综采设备的效率发挥到最大[1]。针对煤炭地质的研究已经有上百年的历史，可见地质条件是影响煤炭开采的关键因素，具体表现为煤田地质中的沉积相以及各种结构对矿床稳定性的影响等。

然而，近年来我国对煤炭的需求已不同于往年，而且在国家环保要求的影响下煤炭的开采进入一个低谷期。但是，就煤炭对我国经济发展的长期影响来看，我国在未来几年还需依赖煤炭发展经济。因此，根据煤田地质情况设计相匹配的开采技术不仅能够提升煤炭开采效率，还能够降低煤炭开采的成本。通过在对煤田地质、煤田特点、顶底板围岩地质特征充分掌握的基础上，基于仿真软件模拟矿山压力，进而对煤炭开采的支护及设备选型提供理论依据，最终为煤矿采煤系统提供指导性建议，将综采工作面资源的利用达到最大化。本文将着重开展放顶煤技术在煤炭开采的适用性研究。

1 放顶煤技术发展历程研究

目前，放顶煤技术已经成熟应用于我国煤炭开采中，从其最终应用开始距今已有200多年的历史。放顶煤技术的发展大致可以分为以下三个阶段。

1) 探索阶段

放顶煤技术最早应用于欧洲国家，主要针对软煤层的开采。放顶煤开采技术的实施最初依靠拱形支架完成，主要是由焊接的金属框组成的[2]。但是，在实际应用中发现拱形支架的支撑能力有限，容易出现冒顶和片帮的事故发生，具有较大的技术局限性。

2) 发展阶段

随着放顶煤技术在急倾斜煤层的应用，加之到二十世纪中叶液压支架的发明，使得放顶煤技术得到了飞速发展，可以应用于对厚煤层的开采。随着液压支架技术的进步以及与其相配套刮板输送机的研发将放顶煤技术真正应用于厚煤层的开采中。

3) 成熟阶段

由于放顶煤技术的技术局限性较大，加之在二十世纪后期煤矿开采进入低谷期，使得该项技术没有在全球范围内得到推广。进入二十世纪八十年代以来，随着我国自主研发的滑移顶梁支架和开窗式支架的应用以及我国综采工作面自动化水平的不断提升，使得放顶煤技术在我国煤矿开采中取得了飞速的发展，逐步进入成熟期。

2 放顶煤技术原理分析

在煤炭的实际开采中，根据工作面地质及水文条件在其回采工作面煤层底部安装一个长度为200 m～300 m的长壁工作面，并由一排液压支架支撑工作面。在回采过程中，首先通过割煤机将长壁工作面的煤炭采出，并依靠前刮板输送机从长壁工作面送出；而后在液压支架的作用下，将刮板输送机向前推进；最后，顶部煤层在矿山压力的作用下被破碎后垮落至液压支架上方，基于人工操作将支架上方的煤炭通过后刮板输送机进入煤炭破碎机中破碎处理后运输处工作面。图1所示为综采工作面放煤操作部署示意图。

图1 综采工作面放煤操作示意图

3 放煤系统

3.1 放煤技术适用性分析

1) 煤层厚度与采放比

据研究表明，煤层厚度是影响放顶煤技术适用性的关键条件。按照相关标准，将煤层厚度分为极薄、薄、中厚、厚以及特厚煤层[3]。由于我矿煤层的特殊性，使得在我矿区存在两种放顶煤采放比的现象。不同的采放比决定了煤层厚度和底部割煤量。其中，煤层厚度决定综采设备是否能够合理布置于长壁工作面；底部割煤量过少使得顶煤无法完全破碎，底部割煤量过多增加了开采成本，因此应该根据工作面实际情况确定采放比。本矿工作面的煤层厚度可达5 m，满足放煤开采技术的使用条件。

3.2 煤层埋藏深度

煤层的埋藏深度在很大程度上决定工作面的开采难度。在实际采煤操作中，煤体会受到垂直于工作面的竖向压应力和水平向应力，二者的计算如式(1)所示。

(1)

式(1)中，H代表采高，m；K代表应力集中系数，取2～3；γ代表上覆岩平均密度，一般取γ=2.5 t/m3；μ代表煤体围岩的泊松比，取μ=0.3；Rc代表煤体单轴抗压强度，MPa；f代表煤体内部的摩擦因数，一般取f=0.7。

通过分析可知，当煤体单轴抗压强度Rc较小时，即煤层较软时适合使用放顶煤技术开采；当煤层埋藏深度越大时，顶煤越容易脱落破碎，也较适合使用放顶煤技术，但是埋藏深度过大会导致开采成本增加。因此，煤层埋藏深度是放顶煤技术应用的必要条件。

综上所述，就煤层厚度而言，放顶煤开采技术适用于我矿，且我矿埋藏深度为450 m左右，满足放顶煤技术的条件。

3.3 顶煤运移研究

所谓顶煤指的是当工作面底部煤被采煤机采出后，顶部煤层就变为直接顶的一部分。与顶板不同的是，顶煤是由于人为原因造成其工程力学性质与顶板的不同[4]。因此，需专门对顶煤的运移特性进行研究。

本文以我矿5304工作面为研究对象，当对其进行回采操作时在工作面布置一定数量钻孔观察点，分别对距离底板5 m和6 m的顶煤累计位移进行记录，将记录的数据基于Excel软件进行拟合处理，分别得出如第78页图2～图3所示的拟合曲线。其中，图2为距顶煤为5 m时，顶煤位移随着距煤壁距离的变化曲线，图3为顶煤为6 m时，顶煤位移随着距煤壁距离的变化曲线。

分析图2、图3可知，尽管我矿煤层中煤炭硬度较大，但靠近煤壁处的顶煤累计位移较小，不会造成片帮漏顶的现象，满足支架后方放煤窗口放煤的要求[5]。因此，尽管我矿工作面煤层较硬，采用合理的工程技术可以采用放顶煤开采技术。

4 结语

工作面采出率是衡量该煤层工作面是否能够使用放顶煤开采技术的关键参数。所谓工作面采出率指的是采出储量与工作面储量比分所得百分比。随着综采工作面自动化水平的提升，推进我综采工作面放顶煤开采技术的应用与发展，进而不断提高工作面的采出率。因此，针对不同的煤层特点，应选择合适的工程条件将先进的开采技术应用于其中，为降低工作面开采成本，提高开采效率奠定基础。

图2 h=5 m顶煤累计位移与距煤壁距离关系曲线

图3 h=6 m顶煤累计位移与距煤壁距离关系曲线