论文部分内容阅读
[摘 要]本文根据综放面顶煤破碎机理，总结了综采放顶煤的方法及人工辅助软化顶煤措施，进而提高工作面顶煤回采率，具有良好的现场施工效果。[关键词]矿山压力 冒放性 放煤方法 人工辅助
中图分类号：TD167文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）17-0162-01
综采放顶煤技术是在1982年引入我国的。由于这种采煤方法具有掘进率低、效率高、适应性强及易实现高产、高效等明显优势，在我国得到了迅速发展。现结合富力矿在综放面生产过程中积累的经验，对综放面放顶煤方法做出以下简要探讨。
1、放顶煤工艺工作原理
综采放顶煤工艺就是在厚煤层中，沿煤层底板布置一个采高2-3米的长壁工作面，用机采的方式回采，利用矿山压力的作用或辅助人工松动的方法，使支架上方的顶煤破碎成散体后由支架后方放出，并经由刮板输送机运出工作面。放顶煤开采的实质是实现工作面煤炭与顶部煤炭同时采出。顶部煤炭的开采是依靠矿山压力作用使其自行破碎冒落的。
矿山压力是顶板活动及支架支撑共同作用的结果。煤层的开采必然造成工作面煤臂前方的应力集中，即形成支承压力，随着工作面的继续推进，顶煤又先后承受顶板和支架的作用，其中支承压力对顶煤具有预破作用，是顶煤实现破碎的关键，顶板回转对顶煤的破坏作用使顶煤进一步破碎，而支架对2-3米范围内的顶煤作用较明显。
2、放顶煤方法
2.1 初采、收尾放煤方法
我礦π放工作面，为防止初采期间顶板垮落对工作面造成威胁，通常采出切眼后3-5刀不放煤，但这个措施对综采工作面实际意义不大，事实上综放工作面推出切眼后即开始放煤，这不仅有效地提高了煤炭的采出率，而且对顶煤冒落也是有效的。
工作面收尾时，应提前5米左右停止放顶煤并铺顶网，但需解决好两个方面的问题：一是使撤架空间处于稳定顶板条件下，即选择合理的停采线位置；二是有效地防止后方矸石窜入，使矸石能够压住金属网。
2.2 放煤步距
确定放煤步距的原则：应使放出范围内的顶煤能够充分破碎和松散，并做到提高采出率，降低含矸率。
确定放煤步距时，首先应保证放煤口上方能够充满已松散的顶煤。若放煤步距太大，则上部的矸石首先到达放煤口，在采空区侧将留有较大的三角煤，放不出来；若步距太小，则后方矸石易混入窗口，影响煤质，并容易误认为已放尽，停止放煤，造成上部顶煤的丢失。放煤过程中不能保证既不混矸又不丢煤，合理的放煤步距只是把煤炭采出率和混矸率控制在一定范围内。
放煤步距的大小应与顶煤的厚度有关：顶煤厚度较小时，通常以一采一放较为合理；顶煤厚度较大时，则放煤步距可适当增大，可采用两采一放或三采一放。
2.3 放煤方式
放煤方式不仅对工作面煤炭采出率、含矸率影响较大，同时还会影响到总的放煤速度、正规循环的完成以及工作面能否高产。
2.3.1 多轮、分段、顺序、等量放煤。将工作面分成2-3个段，段内同时开启相邻两个放煤口，每次放出三分之一到二分之一的顶煤量，按顺序循环放煤，将该段的顶煤全部放完，然后再进行下一段的放煤，或是各段同时进行。
2.3.2 多轮、间隔、顺序、等量放煤。放煤顺序按1号、3号、5号等单号放煤口顺序放煤，一次放出顶煤量的三分之一到二分之一，然后再按2号、4号、6号等双号放煤口顺序放煤，这样反复进行两、三轮，将煤放完，尽量使顶煤保持均匀下降，以减少混矸，提高采出率。
2.3.3 单轮、间隔、多口放煤。先放1号、3号、5号等单号支架上的煤，见一定矸后关闭放煤口，留下较大的脊背煤；滞后一段距离放双号支架上的煤，将留下的脊背煤中放出一个椭球体。实践证明，这种方式丢煤少，混矸少，又易于实现高产高效，是一种好的放煤方式。
3、影响顶煤冒放性的因素
影响顶煤冒放性的因素很多，如煤层自身强度、顶煤厚度、各种裂隙、层理等的发育与分布情况、夹矸情况、开采深度、顶板岩性、工作面长度、支架的架型与开采工艺等。
3.1 煤体强度
煤体强度是影响顶煤冒放性的主要因素。顶煤硬度越大，顶煤的冒落角越小。顶煤的冒落块度也与硬度系数密切相关。软煤最易冒落，冒落块度小，可放性好；硬煤的冒放性最差，冒落块径大，且支架后部常有悬空的顶煤。对于裂隙不发育的坚硬顶煤，由于冒落角小、冒落块度大、支架后方顶煤悬空等，生产中需采用人工方法软化顶煤，以改善顶煤的冒放性，提高其采出率。
3.2 煤体裂隙分布的影响
顶煤破裂过程中受煤体中的原生裂隙影响很大，如果顶煤中贯通裂隙多、比较发育，则这些贯通裂隙往往就会成为顶煤破裂的块度边界。对于非贯通裂隙而言，在支承压力作用下，裂隙尖端会产生应力集中，裂隙扩展，最终成为分割块体的边界。因此裂隙密度大，在支承压力的充分作用下顶煤破裂的块度小，易于冒落。
3.3 顶煤厚度
放顶煤开采中，会有一个合理的顶煤厚度，在该厚度下适宜于顶煤的放出与提高顶煤采出率。过薄的顶煤相当一种伪顶，随采随冒，很难控制它一定在支架尾部冒落，且冒落也无规律可循，由于这种伪顶的存在，还使支架不能有效控制直接顶，导致直接顶超前破碎，到放煤口时，与顶煤混在一起放出，增加了出煤口的含矸率。过厚的顶煤在控顶区内，尤其是上部顶煤很难得到充分松动，直至放煤过程中才开始松动，致使其冒落在采空区难以回收。因此，一般认为顶煤厚度介于4-8米之间会好一些，对于硬煤层，顶煤厚度应不超过6米，否则上部顶煤将冒落在采空区内。
3.3 夹矸影响
对于放顶煤开采，0.3米以下的夹矸多呈片状和板状冒落，对冒放性影响不大，但大于0.4米厚的夹矸多呈大块状冒落，冒落后有时堵塞放煤口，其上的顶煤无法放出。另外顶煤中厚层夹矸会起到悬臂支托上部顶煤的作用，以至于上部顶煤无法及时冒落，最后冒落在采空区无法回收。
4、改善坚硬顶煤冒放性的人工辅助措施
对于裂隙不发育的坚硬厚煤层，实施综放开采时，通常需要采用顶煤爆破或注水软化方法改善顶煤的冒落形态和冒落块度。
4.1 顶煤爆破法
在两巷超前一定距离打与工作面平行的深孔，在工作面支承压力区前方利用深孔实施顶煤的预爆破，在顶煤中形成爆破裂隙和扩展煤体中的原有裂隙，增大裂隙密度，从而在整体上改变了顶煤的性质，衰减了顶煤整体强度，然后在支承压力作用下，对顶煤进行压裂和破碎，使之具有较好的冒落形态和冒落块度，易于顶煤放出。
4.2 煤体注水法
在两巷和工作面内布置长孔，采用煤体注水使顶煤软化。为达到最佳软化效果，钻孔布置需符合以下要求：
4.2.1 钻孔长度应不小于工作面长度的2/3。
4.2.2 应根据煤层倾角打钻。打钻倾角略大于煤层倾角，孔底到达煤层顶板，以保证煤层的湿润性能。
4.2.3 根据煤质的不同，选择合适的注水量。
4.2.4 钻孔工程量尽量少，但要保证煤体普遍湿润，不能出现大的不湿润区。
4.2.5 坚硬煤体可采用顶板岩石注水，破碎顶板岩层，提高煤层的冒落性。5、结束语
综上所述，鹤岗矿业集团公司富力煤矿由于对综采放顶煤方法进行深入透彻的研究，充分发挥了该工艺单产高、工效高、安全系数大和劳动强度低等特点，使该工艺成为保证富力煤矿产量的重要手段。
作者简介
张广伟：男，（1983年-），黑龙江鹤岗市，助理工程师，现工作于龙煤鹤岗分公司富力煤矿三采区。
中图分类号：TD167文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）17-0162-01
综采放顶煤技术是在1982年引入我国的。由于这种采煤方法具有掘进率低、效率高、适应性强及易实现高产、高效等明显优势，在我国得到了迅速发展。现结合富力矿在综放面生产过程中积累的经验，对综放面放顶煤方法做出以下简要探讨。
1、放顶煤工艺工作原理
综采放顶煤工艺就是在厚煤层中，沿煤层底板布置一个采高2-3米的长壁工作面，用机采的方式回采，利用矿山压力的作用或辅助人工松动的方法，使支架上方的顶煤破碎成散体后由支架后方放出，并经由刮板输送机运出工作面。放顶煤开采的实质是实现工作面煤炭与顶部煤炭同时采出。顶部煤炭的开采是依靠矿山压力作用使其自行破碎冒落的。
矿山压力是顶板活动及支架支撑共同作用的结果。煤层的开采必然造成工作面煤臂前方的应力集中，即形成支承压力，随着工作面的继续推进，顶煤又先后承受顶板和支架的作用，其中支承压力对顶煤具有预破作用，是顶煤实现破碎的关键，顶板回转对顶煤的破坏作用使顶煤进一步破碎，而支架对2-3米范围内的顶煤作用较明显。
2、放顶煤方法
2.1 初采、收尾放煤方法
我礦π放工作面，为防止初采期间顶板垮落对工作面造成威胁，通常采出切眼后3-5刀不放煤，但这个措施对综采工作面实际意义不大，事实上综放工作面推出切眼后即开始放煤，这不仅有效地提高了煤炭的采出率，而且对顶煤冒落也是有效的。
工作面收尾时，应提前5米左右停止放顶煤并铺顶网，但需解决好两个方面的问题：一是使撤架空间处于稳定顶板条件下，即选择合理的停采线位置；二是有效地防止后方矸石窜入，使矸石能够压住金属网。
2.2 放煤步距
确定放煤步距的原则：应使放出范围内的顶煤能够充分破碎和松散，并做到提高采出率，降低含矸率。
确定放煤步距时，首先应保证放煤口上方能够充满已松散的顶煤。若放煤步距太大，则上部的矸石首先到达放煤口，在采空区侧将留有较大的三角煤，放不出来；若步距太小，则后方矸石易混入窗口，影响煤质，并容易误认为已放尽，停止放煤，造成上部顶煤的丢失。放煤过程中不能保证既不混矸又不丢煤，合理的放煤步距只是把煤炭采出率和混矸率控制在一定范围内。
放煤步距的大小应与顶煤的厚度有关：顶煤厚度较小时，通常以一采一放较为合理；顶煤厚度较大时，则放煤步距可适当增大，可采用两采一放或三采一放。
2.3 放煤方式
放煤方式不仅对工作面煤炭采出率、含矸率影响较大，同时还会影响到总的放煤速度、正规循环的完成以及工作面能否高产。
2.3.1 多轮、分段、顺序、等量放煤。将工作面分成2-3个段，段内同时开启相邻两个放煤口，每次放出三分之一到二分之一的顶煤量，按顺序循环放煤，将该段的顶煤全部放完，然后再进行下一段的放煤，或是各段同时进行。
2.3.2 多轮、间隔、顺序、等量放煤。放煤顺序按1号、3号、5号等单号放煤口顺序放煤，一次放出顶煤量的三分之一到二分之一，然后再按2号、4号、6号等双号放煤口顺序放煤，这样反复进行两、三轮，将煤放完，尽量使顶煤保持均匀下降，以减少混矸，提高采出率。
2.3.3 单轮、间隔、多口放煤。先放1号、3号、5号等单号支架上的煤，见一定矸后关闭放煤口，留下较大的脊背煤；滞后一段距离放双号支架上的煤，将留下的脊背煤中放出一个椭球体。实践证明，这种方式丢煤少，混矸少，又易于实现高产高效，是一种好的放煤方式。
3、影响顶煤冒放性的因素
影响顶煤冒放性的因素很多，如煤层自身强度、顶煤厚度、各种裂隙、层理等的发育与分布情况、夹矸情况、开采深度、顶板岩性、工作面长度、支架的架型与开采工艺等。
3.1 煤体强度
煤体强度是影响顶煤冒放性的主要因素。顶煤硬度越大，顶煤的冒落角越小。顶煤的冒落块度也与硬度系数密切相关。软煤最易冒落，冒落块度小，可放性好；硬煤的冒放性最差，冒落块径大，且支架后部常有悬空的顶煤。对于裂隙不发育的坚硬顶煤，由于冒落角小、冒落块度大、支架后方顶煤悬空等，生产中需采用人工方法软化顶煤，以改善顶煤的冒放性，提高其采出率。
3.2 煤体裂隙分布的影响
顶煤破裂过程中受煤体中的原生裂隙影响很大，如果顶煤中贯通裂隙多、比较发育，则这些贯通裂隙往往就会成为顶煤破裂的块度边界。对于非贯通裂隙而言，在支承压力作用下，裂隙尖端会产生应力集中，裂隙扩展，最终成为分割块体的边界。因此裂隙密度大，在支承压力的充分作用下顶煤破裂的块度小，易于冒落。
3.3 顶煤厚度
放顶煤开采中，会有一个合理的顶煤厚度，在该厚度下适宜于顶煤的放出与提高顶煤采出率。过薄的顶煤相当一种伪顶，随采随冒，很难控制它一定在支架尾部冒落，且冒落也无规律可循，由于这种伪顶的存在，还使支架不能有效控制直接顶，导致直接顶超前破碎，到放煤口时，与顶煤混在一起放出，增加了出煤口的含矸率。过厚的顶煤在控顶区内，尤其是上部顶煤很难得到充分松动，直至放煤过程中才开始松动，致使其冒落在采空区难以回收。因此，一般认为顶煤厚度介于4-8米之间会好一些，对于硬煤层，顶煤厚度应不超过6米，否则上部顶煤将冒落在采空区内。
3.3 夹矸影响
对于放顶煤开采，0.3米以下的夹矸多呈片状和板状冒落，对冒放性影响不大，但大于0.4米厚的夹矸多呈大块状冒落，冒落后有时堵塞放煤口，其上的顶煤无法放出。另外顶煤中厚层夹矸会起到悬臂支托上部顶煤的作用，以至于上部顶煤无法及时冒落，最后冒落在采空区无法回收。
4、改善坚硬顶煤冒放性的人工辅助措施
对于裂隙不发育的坚硬厚煤层，实施综放开采时，通常需要采用顶煤爆破或注水软化方法改善顶煤的冒落形态和冒落块度。
4.1 顶煤爆破法
在两巷超前一定距离打与工作面平行的深孔，在工作面支承压力区前方利用深孔实施顶煤的预爆破，在顶煤中形成爆破裂隙和扩展煤体中的原有裂隙，增大裂隙密度，从而在整体上改变了顶煤的性质，衰减了顶煤整体强度，然后在支承压力作用下，对顶煤进行压裂和破碎，使之具有较好的冒落形态和冒落块度，易于顶煤放出。
4.2 煤体注水法
在两巷和工作面内布置长孔，采用煤体注水使顶煤软化。为达到最佳软化效果，钻孔布置需符合以下要求：
4.2.1 钻孔长度应不小于工作面长度的2/3。
4.2.2 应根据煤层倾角打钻。打钻倾角略大于煤层倾角，孔底到达煤层顶板，以保证煤层的湿润性能。
4.2.3 根据煤质的不同，选择合适的注水量。
4.2.4 钻孔工程量尽量少，但要保证煤体普遍湿润，不能出现大的不湿润区。
4.2.5 坚硬煤体可采用顶板岩石注水，破碎顶板岩层，提高煤层的冒落性。5、结束语
综上所述，鹤岗矿业集团公司富力煤矿由于对综采放顶煤方法进行深入透彻的研究，充分发挥了该工艺单产高、工效高、安全系数大和劳动强度低等特点，使该工艺成为保证富力煤矿产量的重要手段。
作者简介
张广伟：男，（1983年-），黑龙江鹤岗市，助理工程师，现工作于龙煤鹤岗分公司富力煤矿三采区。