厚煤层综采放顶煤采煤技术研究

2012-11-12李文彦杨立海

山西焦煤科技 2012年12期

李文彦，杨立海，尹彬

(1.霍州煤电集团什林煤业有限责任公司，山西霍州 031499;2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新 123000)

放顶煤采煤法，就是在厚煤层中，沿底分层进行采煤，支架移出后，由于矿山压力的作用使上部顶煤和顶板冒落，通过液压支架上的“天窗”将松散顶煤回收。该方法始于20世纪40年代，我国从20世纪80年代初开始研制厚煤层放顶煤的综采设备，由于这种采煤法具有掘进率低、适应性强、易于实现高产等特点，该技术在我国得到了迅速发展，现如今我国是世界上采用放顶煤采煤法最多的国家之一，在放顶煤综采设备的制造、回采工艺、提高煤的回收率和降低含矸率、以及防止自燃发火措施等方面都积累了较丰富的经验［1］。

1 顶煤放出规律

根据放矿理论，矿石从采场内是按近似椭圆球体形状留出来的，即原来所占的空间为一个旋转椭球体，如图1所示。在放矿过程中形成的椭球体称为放出椭球体1，停止扩展而最终形成的椭球体称为松动椭球体3，放矿后形成放出漏斗2和移动漏斗4。如果放顶煤高度为h，则放出椭球体1长轴为2a，近似于h，短轴为2b1。高度为h的水平煤岩分界面将下降为一漏斗面2，由于下降时煤岩的滚动，漏斗面实际上是由一定厚度的混矸层组成，最大直径近似于4b1。生产实践表明，放出椭球体短轴与长轴的关系式如下:

图1 放矿椭球体概念示意图

从放矿理论上讲，放出椭球体表面上的颗粒将大体上同时到达放煤口［2］。放煤的同时，放出椭球体周围的煤岩也将向放煤口移动，充填放煤留下的空间，且与放出椭球体相似，为一松动椭球体，其高度H为:

由于工作面支架上的放顶煤口互相临近，放煤时放煤口间距l直接影响放煤效果。当l＞2b1时，当第二个放煤口放煤时，不会因已放过第一放煤口而发生混矸现象，但放煤口之间有脊背煤损，l越大，脊背煤损越大;当l＜2b1时，如放煤高度仍为h，必将有一部分矸石混入放出的煤中，但脊背煤损明显降低。因此，在一定放煤高度条件下，合理确定放煤口间距是十分重要的。

值得注意的是顶板冒落的性能，当直接顶较稳定不随放顶煤而运动时，放出体的顶部将出现缺球现象。但若直接顶在顶煤放空后冒落时，将给支架带来冲击载荷，因而直接顶的稳定性是重要的。

2 放顶煤采煤工艺及综采设备

1)采煤工艺简述。采煤机割煤分段进行，一般每15 m为一段，先割上刀，然后移架放顶煤，再割下刀继续放顶煤，移前部输送机，一直把顶煤放完。再进行第二阶段的割煤和放顶煤工作，直到采完全部工作面为止［3］。顶煤较硬，可以上下刀一齐割煤，然后再移架放顶煤，推移输送机并继续放顶煤，直到放完为止，再采下段煤。放顶煤过程一般分两个阶段，第一阶段是通过移架使顶煤垮落、破碎，不破碎的可以打眼放炮，但费工费时。一般要求顶煤强度不大，普氏系数不大于1，这样才能保证移架后，顶煤垮落自动破碎。第二阶段是放煤，即把已破碎顶煤最大限度的回收出来。

2)液压支架。从放顶煤方式看主要有两种:一种是底开门插板式，如FY280－14/28型;掩护梁开窗式，如FYS300－19/28型。从放顶煤效果看底开门插板式较好，因为它降低了放煤高度，底煤回收率比开天窗式的高，同时后面掩护梁可上下摆动能增加放顶煤效果，也可压碎大块煤，使放煤窗口不易被堵。

从工作面输送看，有单输送机和双输送机两种。单输送机液压支架虽然节省了一台输送机，同时放煤速度快，但主要缺点是，放煤时煤块四溅，煤尘大，工作面被阻断，很不安全;由于顶煤窗口高，顶煤回收率低;结构复杂，造价高。这种支架在缓倾斜厚煤层中使用缺点较大，然而在厚煤层倾斜工作面俯斜推进时，由于用两台刮板输送机比较困难，这种支架还是有一定价值的［4］。

3)采煤机和刮板输送机。在缓倾斜长壁工作面，放顶煤用的刮板输送机和采煤机与普通综采工作面所用相似。底层煤采高一般在2.5～2.8 m，而且采比较松软的煤层(f=1.5)常用的MLS3－170型和MLS3P－170型采煤机及其配套的SGW－250Ⅱ型和SGD－630/180PB型刮板式送机都能适用。

在急倾斜厚煤层中用水平分层放顶煤采煤法时，因工作面长度短，用7 m长机身的采煤机，需要斜切进刀，这是很困难的。采用MS950－400型短壁采煤机及配套的2×18/400型刮板输送机。这种采煤机只有3 m，功率小、重量轻、结构紧凑，能自开缺口，操作维修也较方便。

3 放顶煤采煤的巷道布置

1)缓倾斜特厚煤层巷道布置。在底板开掘岩石集中巷，一方面可以集中运输，另一方面可作为灌浆巷。如果煤层自燃发火不严重，煤质较硬，可把区段平巷布置在靠底板的煤层内。

2)急倾斜水平分层放顶煤巷道布置。在急倾斜水平分层采煤中采用放顶煤，首先将原煤层分成若干分段，根据放顶煤经验，分段高度为6～15 m，除在每分段底部煤层中布置分层回风巷和封层运输巷外，如果煤自燃发火严重，在每段煤层底板岩石中布置分层灌浆巷，以便回采后及时通过钻孔向采空区灌浆。为了运送综采设备，在底板岩石中开掘一条伪倾斜轨道上山，通往各分段巷道。

急倾斜特厚煤层放顶煤采煤，各分段高度h，以顶煤能全部垮落为依据。这样:

式中:h1—煤层高度，m，一般为2.8;

ks—煤的一次松散系数，其值为1.15 ～1.3。

十七大报告中，对第二次飞跃的理论成果做了新的表述，从理论与实践相对应的视点，将作为对中国特色社会主义道路实践经验总结的理论，统称为“中国特色社会主义理论体系”。指出：“中国特色社会主义理论体系，就是包括邓小平理论、‘三个代表’重要思想以及科学发展观等重大战略思想在内的科学理论体系。”[11]P11这是对当代中国共产党人马克思主义中国化理论成果的最新概括。中国特色社会主义理论体系，是中国化马克思主义创新理论的科学体系。

对于缓倾斜特厚煤层，厚度h自然生成，这时可用上式反过来求底分层采高h1，则:

当厚煤层h大于12～15 m时，h1最大取3 m，h1太高，煤层容易片帮，煤坚硬时h1可取大点。H大于20 m时，就要采用分层开采。

对自燃发火煤层，放顶煤采煤法的采区走向长度L，主要根据自燃发火期决定，就是通过采取措施后，在煤层仍能自燃发火的期限内把整个区段采完。对急倾斜特厚煤层，采区走向长度L为:

式中:A月—工作面月产量，t;

T火—煤的自燃发火期，月;

α—煤层倾角，(o);

m—煤层厚度，m;

h—分段高度，m;

c—分段回采率，一般为0.8。

对缓倾斜煤层，采区走向长度为:

式中:l—工作面长度，m。

4 放顶煤开采的安全措施

放顶煤采煤法虽然有明显的经济效益，但由于放顶煤是利用矿山压力破煤造成了大量的破碎煤体存在，因此，可以说放顶煤开采的主要安全问题是煤层的自燃发火。我国特厚煤层一般都具有自燃发火的危险，所以在推广放顶煤开采时亦应着重研究自燃发火灾害的防治措施。根据以往的经验，防止地下自燃发火要从地面、井下以及工作面等方面开展工作，并要以预防为主［5］。

1)地面防灭火措施。一是用黄土、矸石等回填塌陷区，断绝地下采空区与地面地空气联系，使采空区不漏风，达到灭火的目的;二是打钻孔向采空区进行黄泥灌浆或灌入CO2气体，达到灭火和防止自燃发火的目的。

2)回采中的防灭火措施。一是向采空区灌浆，主要是灌黄泥浆;二是向支架后面采空区喷洒阻化剂，目前使用较多的是MgCl2及CaCl2，取得了较好的效果;三是在工作面前方巷道中，向煤层打眼，用泵向煤层注水或注阻化剂溶液;四是均压灭火，调整风流负压，防止向采空区漏风。

3)采后灭火措施。主要是采后密闭采空区，并向采空区灌黄泥浆或阻化剂溶液。

4)预报措施。安装束管监测系统，收集CO含量、温度和其他有关参数，以便在地面集中监测并预报井下自燃发火情况;同时派专人定期巡回检查各可能发火点，遇见发火情况立即处理。

5)直接灭火措施。预先制定避灾路线并在井下储备足够的灭火器材和水源，井下出现火灾时，要及时撤出人员，并立即组织灭火和抢救伤员。