1、关于综采放顶煤平安开采间题的认识 中国科学院院士宋振骐xx省煤管局总工程师陈立良xx矿业学院矿压研究所王春秋刘先贵 综采放项煤是我国煤矿厚煤层开采技术的一项重大突破，可以实现高产高效的目标，已被人们所共识。本文在总结综采放顶煤实践成果的根底上，结合我国实用矿山压力理论的有关研究成果，对综采放项煤工作面的采场结构力学模型的建立、煤炭回收率、灾害防治等问题进行了探讨，明确指出深化放顶煤开采的顶板活动和矿山压力的研究，为放顶煤开采的应用条件选择、合理巷道布置和开采程序设计以及巷道和工作面支架选型等提供理论和实践根底，是当前开展的关键。关键词放项煤综采X8226;采场结构模型X8226;内应力场X82
2、26;资源回收率进入七十年代，特别是最近两年来，我国潞安、兖州等现代化矿务局放顶煤综采工作面开展迅速，效益突出。放顶煤开采将成为我国煤矿厚煤层开采技术开展的重要（甚至是全局性）方向的认识，已经逐渐被人们接受，厚煤层放顶煤开采技术开展的高潮已经到来，为了防止一轰而上，克服盲目性，尽可能减少偏颇和失误，加强放顶煤有关开采技术（特别是放顶煤岩层活动和矿山压力规律）的深入研究，为放顶煤开采合理条件选择、合理巷道布置和开采程序设计、巷道支护和维护方式选择、工作面回采工艺装备特别是支架选型和阻抗力等参数设计等提供理论根底已成为刻不容缓的任务。1放顶煤综采的实践成果及开展关键潞安矿务局王庄矿1989年应用综
3、放技术，目前采用双运输机、收尾梁支架低位放顶煤的工艺.平均月产超过20万t，平均日产超过7000t，曾到达月产30万t、日产15186t的高产水平，回采工效到达20234t/工，工作面效率高达145t/工，实现了高产稳产的目标。兖州矿务局自1989年由xx矿业学院矿压研究所根据煤层赋存条件提出可放性论证报告后，局矿组成了综放领导小组和工作组，在全国调研的根底上从1992年6月开始实践。目前，兴隆庄、鲍店、南屯、东滩都有综放工作面生产，并均到达了高产高效之目的。1993年全局综放工作面平均月产超过18万t，最高月产达24202350t，平均日产都在7000t以上，直接吨煤本钱下降13元，其下降幅
4、度超过50，回采工效提高一倍以上.有关高产高效综放面的技术经济指标如表1所示。兖州局综放实践在实现了高产高效目标的同时，还在扩大综放条件和解决相应技术难题方面取得了以下突破性进展：已采顶分层网下综放取得成功。在网下综放工作面岩层活动和支承压力分布特征及规律、支架围岩关系以及解决硬煤破碎等研究方面取得了重要的进展。鲍店矿1303网下综放工作面到达了稳产的目标.月产超过了19万t.回收率超过了80，本钱比分层综采下降50.回采工效达70t/工.顶板运动状况如图1所示。网下综放成功.提高了工作面回收率，为不出现内应力场（煤壁不能超前破坏）的煤层.厚度超过2023m以上的特厚煤层以及直接顶不能随移架及
5、时冒落的煤层进行综放。并实现高产、高效、高回收率的目标开辟了广阔的前景。“孤岛煤综放实现了平安、高产、高效的既定目标。南屯矿“孤岛工作面综放平均日产超过7000t的实践证明，完全可以采用跳采程序安排采掘关系、实现在稳定的内应力场中送道解决回采工作面接续和巷道稳定问题，到达进一步提高采区回收率的目的。南屯矿“孤岛煤放顶煤工作面的结构状态如图2所示。总之.经过数十个局矿综放面开采实践。可得到以下一些共识：采用综采放顶煤技术开采厚煤层.是当前国内设备条件下实现高产高效的一个重要开展方向;采用综放开采技术，减少了生产环节及辅助设备和较大幅度降低巷道掘进和维护工作量.减少了工作面个数.实现了煤矿井下的集
6、中生产和平安生产;在弄清综放而顶板活动规律和矿压显现规律的根底上，通过采用正确的开采程序和回采工艺、优化开采设计等措施，是可以保证到达符合要求的回收率这一目标的;现有的平安技术措施对于防治瓦斯、降低煤尘以及抑制发火是有效的，平安能够保证;相对分层综采而言，综放工作面对于煤层的厚度和倾角变化以及通过断层等构造有更大的适应能力，因此比分层综采更容易实现稳产的目的。在一定程度上可以说，放顶煤为厚度、倾角变化复杂的煤层开采机械化创造了前景。当前推广综放工作必须答复的两个关键问题：一个是保证平安开采的条件问题;一个是实现高产高效并保证较高回收率的条件问题。研究和实践证明，综放工作面平安高产以及保证较高回
7、收率是有条件的.包括相应的煤层和顶底板条件、相应的开采程度和巷道布置，相应巷道和回采工作面支护（包括支护方式、支架形式和阻抗力等）以及放煤工艺等。目前我国有的综放工作面，在没有搞清采场支承压力分布的情况下，错误的采用了煤柱护巷方案，造成了产量低、推进速度缓慢、巷道维护极端困难的恶性循环。有的工作面因为顶煤放不下来，被迫采用危险的架后爆破措施等情况。这都是因为对综放条件缺乏认识，盲目从事的结果。要正确答复保证高效益综放条件问题，离开了具体煤层条件下，煤及岩层运动和矿山压力分布显现规律的研究，以及通过正确的开采决策进行控制可能性的研究，用“煤层硬、“顶板坚硬这些相互孤立的要素进行概括是不行的。同样
8、，实现平安开采.即不出现冲击地压、瓦斯煤层突出等重大事故的条件，也不能简单的从“采高大，因此压力大、危险大等想象出发。只有在对放顶煤开采煤层及顶板活动规律和矿山压力分布显现特征。及通过正确的开采设计决策进行控制的可能性进行客观分析之后，才能作出正确的结论。2放顶煤综采条件研究的采场结构模型如前所述，什么条件适合“综放，并保证平安和到达高产高效的目标，不能用煤层硬度、开采深度及顶板等条件简单的答复。必须抓住在该开采条件下，岩层运动和矿山压力显现特点及控制的可能性这个实质和关键.因此，建立符合客观实际的综放采场结构力学模型，是正确进行“综放条件研究的根底。提供回采工作面和巷道矿山压力控制等开采设计
9、决策及进行开采条件分析的完整采场结构模型所包含的内容如下：需控制的岩层结构组成及相应的结构参数（包括结构厚度及跨度等）;结构边界及相应的支承条件;支承反力的大小和分布。正常开采情况下，煤壁的支承压力作用下超前破坏的采场结构模型如图3所示。结构模型中需要控制的岩层范围，一般由采空区已垮落的岩层组成的“直接顶（图3中a所示）和运动明显影响采场矿压显现的“传递岩梁所组成的“老顶（图3中b所示）等两局部组成。直接顶的厚度mi可由下式求出：式中h为采高（工作面一次采出的煤层厚度），sa及ka分别为岩梁触矸点的沉降值和该处己冒岩层的碎胀系数。当老顶下位岩梁周期来压步距c1和来压完成时控顶距lk处的顶板下沉
10、量ha时，可以按下式近似算出sa值代入式（1），推断m2值。对于未开始推进的工作面，当上覆各岩层分层厚度（依煤层柱状或石门剖面图），可按岩层失稳冒落的条件，由下向上逐层推出既采高h条件下的垮落岩层（即直接顶）总厚度mi值：如各分层采高相同（hm=h），那么当假顶完全压实，即kc1时，mnm=mc1，冒高值与开采顶分层时相同;但当假顶未压缩，即kc=ka时，mnm=nmc1，第n分层的冒高是第一分层冒高值的n倍。可见开采下分层时，假顶的压实情况对冒高值大小有重大影响。实践证明，对于一般岩层覆盖的采场，老顶总厚度大约为采高的4-6倍，老顶所包含的“传递岩梁数目，一般不超过3个。组成老顶各“传递岩梁
11、的岩梁厚度为同时运动岩层的厚度之和。上下两岩层同时运动的条件可由下式表示： 在生产现场，可以根据实测所得采场支架阻抗力或顶板下沉量随工作面推进距离关系曲线直接推断老顶岩梁数目及运动步距值。老顶来压时，直接顶和下位岩梁断裂，破坏线深入煤壁前方，上覆岩层作用在煤（或岩）层上的“支承压力（或相对应的支承反力）明显的分为两个局部，是该采场条件下结构模型的重要特征.其中，处于“内应力场（图3中s1局部）中的煤体已经破坏，其承受的压力大小由直接顶和老顶运动的作用力决定。显然，当老顶来压完成进入稳定状态后，该局部煤体的支承反力只要平衡直接顶的作用力即可。分布于“外应力场（图3中s2局部）煤体上的支承压力由上
12、覆岩层的总体作用力所决定，其大小分布范围受直接顶和老顶的影响较小。当开采深度较小，或者煤层强度较高，支承压力缺乏以超前破坏煤壁的情况下，采场的结构模型如图4所示，即直接顶及老顶的断裂破坏将在煤壁处发生，“内应力场的范围（s1）将趋于零。目前，作为实用矿山压力理论的核心矿山压力分布、矿山压力显现与上覆岩层（直接顶及老顶）运动间关系的理论研究已经取得重要成果，通过矿山压力显现推断上覆岩层运动和支承压力分布，实现对顶板活动和矿山压力分布预测预报的“井下岩层动态观测研究方法，已有了广泛的实践根底。在生产现场针对具体煤层和开采条件建立采场结构模型的工作已经进入到实用阶段.采场结构模型的类型和相应的结构参
13、数确定之后，开采方法的选择、开采参数确定等设计决策，也就有了科学的根底。例如：知道直接顶的厚度m2及老顶下位岩梁的厚度me1和来压步距ce1就能够按以下要求选择综采支架，排除推垮工作面和压死支架等重大事故：支架的允许缩量：rha式中：sr支架支护面积=支架宽度（b）控顶距（lk），msup2;ha下位岩梁裂断来压触矸时的最大采场顶板下沉量，m;hrmin上位岩梁裂断前计算或实测到的最小采场顶板下沉量;X402;x悬顶系数同样，知道了采场结构力学模型，为相邻工作面准备的回采巷道位置、开采或准备的时间以及正确的维护方法，也不难确定。其中，属于有内应力场的结构模型（如图3所示），如果不出现底鼓等情况
14、，那么正确的设计决策分别为：沿空留巷（图3中1的位置）：此时支架阻抗力最小需平衡直接顶的作用力，支架的可缩量应适应下位岩梁触研并压实的沉缩全过程。其最小值hmin可由下式近似推出：式中：s1内应力场范围，m;b巷道宽度，m;d老顶下位岩板侧向裂断宽度，一般接近推进方向来压步距（c1）煤柱护巷（即图3中4的位置）：此时巷道应在接近原始应力区的部位开掘，支护方式和支护阻力应按相应区域的巷道压力设计。在内应力场（即图3中2的位置）掘巷：此条件下掘巷的时间必须在老顶运动根本稳定之后，支护方式应考虑内应力场煤体已经破坏的现实，支护阻抗力应不低于平衡直接顶作用力的要求，可缩量应能适应工作面推进至老顶来压时
15、的内应力场可能出现的最大巷道顶板下沉量。显然出现内应力场结构的条件下，要绝对防止在高应力区（即图3中3的位置）开掘和维护回采巷道。在该处布置巷道，围岩将承受超过原始应力（rh）的几倍，不仅巷道维护困难，而且经常在掘进时引发冲击地压和瓦斯煤层突出等重大事故。对于图4所示不出现内应力场结构类型的采场，回采工作面控制设计以防止老顶动压冲击为前题，无需考虑煤壁片塌和直接顶破碎等事故。满足此要求的支护阻抗能力，应保证在直接顶和下位岩梁来压时完全平衡其作用力，即不出现平安阀开启、顶板沉降的情况。在该条件下考虑巷道矿压控制设计决策的根本原那么是沿空送道或把巷道布置在支承压力分布区域（一般不超过82023m）
16、之外的任何位置。掘进时间不受岩层运动限制。如果采用沿空留巷方案，那么支护阻抗力应平衡垮落直接顶的作用力，压缩量那么必须适应老顶稳定过程中的全部巷道沉降量。放顶煤综采条件下的采场结构模型如图5所示，与同一煤层分层开采条件下的结构模型相比有以下特点：由于采出煤层的厚度（采高hd加放出顶煤厚度hr）增加，冒落岩层总厚度即直接顶厚度（m2）将比分层开采大的多，具体值仍可按顶分层开采条件下的顶分层冒高即式（3）（8）的推断方法确定。顶煤的实际回收情况对采场结构组成状态及相关参数的影响很大。有关结构运动对采场矿压显现的影响要比分层开采复杂得多。因此，采场矿压显现的规律性是顶煤回收率是否均衡可靠的一个重要标志。在放顶煤开采条件下，垮落的直接顶厚度（m2）与采空区残留的浮煤高度（hf）间的关系可用式（13）表出：由于一次采出煤层厚度增加，出现内应力场的可能性及应力场所伸展的范围都比分层开采条件下大得多。研究证明，内应力场范围与一次采出的煤层厚度（hr
