1、专题部分放顶煤冒放性影响因素及分析摘 要综合机械化放顶煤开采已经成为我国厚煤层开采的主要方法之一，顶煤采出率一直是综放开采中的一个核心问题，努力不断提高综放工作面顶煤采出率对促进综放技术进一步发展具有重要意义。综合机械化放顶煤开采中影响其工作面顶煤采出率的因素主要有:对顶煤冒放、破碎特性的认识及掌握水平，开采设计，工作面初末采及上下端头顶煤的回收程度，设备选型及配套，生产管理。本文结合中煤担水沟煤矿9101工作面的实例就影响综放工作面顶煤采出率的各个因素进行分析，总结出目前制约顶煤采出率的关键影响因素。关键词厚煤层 综放开采 影响因素 冒放规律1 问题的提出及研究意义长期以来，煤炭是我国的主要
2、能源，在一次性能源结构中其消费比例始终保持在 70以上。从国家煤矿安全监察局了解到，2006 年我国原煤产量达到23.25 亿吨，同比增长 8.1。今后一个时期,全社会对煤炭的需求量将进一步增加,2007 年煤炭需求量已经达到 25 亿吨，比 2006 年增长 5.5%左右。因此，依靠科学技术，实现矿井高产高效，提高煤炭生产能力具有重要的现实意义。厚煤层的开采一直是世界采矿界探讨的课题。厚煤层一般储量大，煤质好，赋存稳定。按照厚煤层定义，当单一煤层厚度超过 3.5m 以上时为厚煤层，而单一煤层厚度超过 8m 则为特厚煤层。在世界上主要产煤国家中，厚及特厚煤层的储量占到了可供开采的煤炭资源的 2
3、050，厚煤层产量占煤炭产量的比重大约为 32。在我国的煤炭资源中，厚煤层储量占总储量的 45.6%，厚煤层原煤产量占到了全部产量的 44.8，据 1998 年我国国有大中型煤矿统计，拥有5m 以上厚煤层的生产矿井数量占生产矿井总数的 40.6%，华北、东北、华中和西北 4 个矿区的主采煤层多属厚煤。由此可见，厚及特厚煤层开采在煤炭生产中占有十分重要的地位。保证和提高综放工作面顶煤采出率一直是应用放顶煤开采技术的核心问题，我国从50 年代开始大力推广分层开采以后，规定厚煤层开采的工作面回采率应达到 93以上，采区回采率应达到 75以上。根据有关统计分析，分层开采时，一般实际工作面回采率可以达到
4、规范要求，但大多数矿井的实际采区回采率都达不到规范要求。据 2003 年统计，我国综放工作面回采率平均为 8183%。到目前为止，综放工作面采出率超过 85%的并不多，大多数的采出率都在 85%以下，在正常情况下，综放工作面的采出率也仅能达到 8085。经过不断努力，尽管综放工作面回采率已经得到明显提高，但是一些综放工作面的回采率还不到 80%。因此了解顶煤冒放的影响因素，提高顶煤采出率具有重要意义。1.1 国内外研究动态1.1.1 放顶煤开采技术的发展与现状早在本世纪初，欧洲就使用了放顶煤开采法，当时只是作为在复杂地质条件下的一种特殊采煤方法，如法国使用的房式和仓式放顶煤采煤法。此后，在 2
5、0 世纪 40 年代末，法国、前南斯拉夫、匈牙利等国正式开始应用长壁和短壁放顶煤开采法，工作面使用单体金属支柱和顶梁以及刮板输送机进行炮采。1957 年前苏联首次使用综采 KTY 型掩护支架开采倾角 518、厚度 912m 的特厚煤层，工作面先采顶部煤、铺底网，然后沿煤层底板开采，在工作面向中间煤体打眼放炮崩酥，再通过 KTY 支架顶梁上的天窗放入工作面输送机。前南斯拉夫是 1962 年开始引进综放设备并逐渐实现放顶煤机械化开采的。1964 年以后，前苏联、匈牙利、保加利亚、捷克和斯洛伐克等国先后引进了综采放顶煤采煤法，都取得了较好的技术经济效果，而且在不同的煤层赋存条件下各有发展。70 年代
6、初，放顶煤支架基本是沿两条路线发展完善的，一条是前苏联、前南斯拉夫、波兰、匈牙利等东欧国家在 KTY 支架基础上逐渐进行改进，把放煤口位置由最初在顶梁前部放煤，改为在顶梁后部放煤，并使用液压支柱控制开闭。另一条路是法国、原西德、英国等西欧国家，在法国香蕉型支架基础上不断发展。到目前为止，东西欧各国相互吸收各自所研制的放顶煤液压支架长处，已制造出多种类型的放顶煤支架。放顶煤开采是开采特厚煤层高效安全的方法之一，受到了许多国家普遍重视，并曾得到推广使用。但是，进入 20 世纪 80 年代后期，由于开采条件的限制和相应政策的制定，国外综放技术的应用逐渐开始萎缩，产量和工作面大幅度减少，到 90 年代
7、初只有法国和前南斯拉夫等极少数矿井在应用。我国厚煤层储量丰富，20 世纪 80 年代以前，我国厚及特厚煤层采煤方法主要以分层开采为主。分层开采不但使厚煤层的储量优势没有得到充分发挥，反而存在工序复杂、事故多、对地质条件的适应性差等缺点，致使实际煤炭回采率低、生产成本高。在借鉴国外厚煤层开采技术的基础上，我国从 1982 年开始进行缓倾斜特厚煤层一次采全厚综采放顶煤采煤工艺和设备的试验研究工作。1984 年 6 月，由北京开采研究所和沈阳煤研所共同设计的第一个综放工作面在沈阳矿务局蒲河矿投入了试验。1986 年 3 月在窑街矿务局二矿进行了急倾斜特厚煤层水平分段综采放顶煤法的工业性试验，试验取得
8、了较好效果。1987 年，平顶山一矿引进匈牙利 VHP-732 型单输送机高位放顶煤支架开采，在煤厚 8.2m、倾角 9、煤层硬度 f=1.01.8 的条件下，工作面长 120m、采高 2.8m，放煤高度 5.4m，工作面最高月产 65Kt，平均工效 31.5t/工，工作面回采率达到了 79.6%。1988 年，阳泉一矿 15 号煤层应用我国研制的长顶梁、单铰接、双输送机中位放煤的ZFS-4400 型支架进行综采放顶煤开采试验。1993 年潞安矿务局王庄矿使用综采放顶煤开采，原煤年产量 2.53Mt、工作面月产达到 0.21Mt、回采工效高达 110.8t/工。1995 年兖州矿务局兴隆庄矿将
9、综放单产水平提高到 3.1567Mt，1997 年兖州矿务局东滩矿的综放单产达到 4.1018Mt、工效 203.9t/工的世界水平，1998 年该矿综放队再创年产 5016Kt、工效 235.4t/工的纪录，2000 年东滩矿使用综放开采年产原煤 5.20Mt。2002 年 11 月，兖州矿业集团兴隆庄煤矿综放工作面创出了日产 22.4kt 的历史最好水平。山西潞安环能公司王庄煤矿在 2005 年度综采放顶煤产量取得了可喜的佳绩，该矿全年生产原煤 7.102Mt，其中综放一队采用全套国产综采放顶煤设备，生产原煤 6.08Mt4。目前，综放开采已经在全国各大矿务局的软、中、硬煤，缓倾斜、倾斜、
10、急倾斜厚煤层开采中得到了全面推广和广泛应用。1.1.2 提高综放工作面顶煤采出率技术的研究现状与发展（1）国外研究现状与发展国外对于放顶煤开采的研究体系性较差，理论研究较少，集中在为数不多的现场顶煤运移实测方面，对采场矿压、顶煤冒放性、顶板控制、巷道支护、煤尘、瓦斯等方面更深层次的研究较少，具体针对工作面采出率的研究就更少了。前苏联以马拉霍夫为代表的学者，通过实验，研究了金属矿放矿过程的理论，借以寻求减少放矿损失和贫化，导致品味降低的途径，研究成果为放顶煤开采提高顶煤采出率提供了重要参考。对放顶煤开采技术理论与实践的研究，最具有代表性的是法国的 J.P.皮凯对布朗基煤田达尔西矿放顶煤工作面矿压
11、的研究。主要观测研究了顶底板移近量、顶煤移动规律、煤壁煤体膨胀等。研究结果认为，工作面顶底板移近量很大，顶煤移动开始点距煤壁为 6m，在煤壁后方顶煤的水平位移是垂直位移的 23%。在采动影响下，顶煤水平移动实际上是使整体煤层向采空区方向移动，整个煤体向采空区倾倒。在这种倾倒位移下，顶煤完全松动并与顶板脱离，它的松动范围在煤壁前方几米远，在达尔西矿约为 3m。顶煤的移动使工作面周围的煤体松动加剧，造成顶煤的不稳定，同时影响煤壁的稳定。（2）国内研究现状与发展自80 年代后，世界特厚煤层放顶煤开采及其技术的研究、发展中心均集中在中国，目前我国综采放顶煤技术及相关理论研究均居于世界领先水平。综合机械
12、化放顶煤开采在我国经过 20 多年的发展，在综放开采工艺、综放工作面顶煤运动规律及矿山压力观测、放顶煤液压支架、综放开采的防火和防尘及防治瓦斯的安全技术等方面进行了大量的试验研究和科技攻关工作，取得了一大批科研成果。就提高综放工作面顶煤采出率问题科研工作者也进行了很多相关研究，特别是近些年对坚硬煤层放顶煤开采的顶煤破碎、冒放问题以及开采工艺等的进行了深入研究。国内对于厚煤层条件下提高综放工作面顶煤采出率的相关研究进展情况如下：樊可恭等用巴厘石作为破碎后的顶煤和矸石的松散后的相似材料，进行了 1：25的相似模拟实验，对顶煤的冒放规律进行了分析研究。试验表明，如果破断角 90，放出体是较完整的椭球
13、体；如果 90，则受破断角、放出口位置和顶煤高度的影响，呈偏向采空区侧的不完整椭球体。按照椭球体理论，与放煤漏斗高度对应的椭球体内的煤将由放煤口放出，而之上松动椭球体的煤、岩将随煤的放出，向下移动，进入放煤漏斗。随着放煤量的增多，冒落的顶板岩块将随煤的放出向下移动，进入放煤漏斗。随着放煤量的增多，冒落的顶板岩块将会混入放煤漏斗，与煤一起放出。放顶煤开采，要求尽可能多的回收顶煤，同时减少混矸率。研究表明，如果放煤步距过大，则临近支架上方的垮落岩石先于后部顶煤落入输送机，如果放煤步距过小，则后部垮落岩石先于顶煤进入后部运输机，这两种情况均会导致沿走向的三角煤损失。太原理工大学宋选民教授等通过实验研
14、究了放顶煤开采顶煤破碎块度与支承压力、煤体强度和裂隙发育程度的相互关系。研究表明，放顶煤开采时应力状态、煤层强度和裂隙发育程度，这三个因素对顶煤破碎程度有决定性影响。最后得出由支承压力、煤体强度和裂隙发育程度三因素决定的煤体破碎加权平均块度预测公式。安徽理工大学的高明中教授用数值模拟的方法，研究了顶煤的变形特征、顶煤变形与支承压力和支架工作阻力的关系，分析了采高和支架对顶煤应力和位移分布的影响，为顶煤破碎机理的分析和顶煤移动和运动规律的研究提供了依据。结果表明，支承压力有一形成过程，它对顶煤及夹矸的移动、破碎有着十分重要的影响。西安科技大学的索永录教授根据综放工作面顶煤的宏观受力状况变化特点和
15、连续损伤破坏演化历程，按照系统分解原则，将原岩应力区之后顶煤的受力状态划分四个阶段的连续损伤破坏演化过程：弹性应力状态、塑性极限平衡应力状态、塑性极限平衡和块体结构铰接平衡状态、顶煤呈散体堆积状态。通过分析放顶煤工作面顶煤运移实测结果，并结合顶煤破坏与非破坏的概念，认为顶煤运移特点和过程符合损伤力学基础，顶煤的压裂破碎是损伤积累的过程。通过顶煤损伤统计力学模型研究认为，煤体微元强度服从 weibull 分布，顶煤以压剪形式破坏，其随机分布变量满足库仑准则。在此基础上分析了支承压力、煤层倾角、煤体力学性质对急倾斜放顶煤开采水平分段高度的影响，结论认为：顶煤变形破坏是一个复杂的过程，与煤层的赋存条
16、件、力学性质等因素有关，而且在更大程度上依赖于矿山压力作用。支承压力作用下，顶煤原损伤场区域微裂隙发生发展，顶煤逐步损伤积累，最终导致顶煤破坏。对顶煤放出规律的研究，国内学者引用金属放矿椭球体理论，把顶煤抽象为理想松散颗粒介质，提出了放煤椭球体的概念，对放煤步距、放煤高度、放煤顺序等进行了系统的研究，有效地指导了对放煤规律的认识。2 顶煤运移冒放规律2.1 放顶煤开采顶板活动规律的研究为了弄清放顶煤开采顶板活动规律，以及顶板活动对顶煤变形破碎的影响，深入探讨放顶煤采场煤岩组合结构移动规律，指导放顶煤支架设计、制造和选型及其使用的要求，采矿界的专家学者和现场工程技术人员进行了大量的现场实测研究，与相似模型试验研究相结合并辅之以有限元数值模拟实验和理论分析等综合研究方法，获得了如下认识：1、放顶煤采场矿压显现规律研究放顶煤开采不同于普通综采，其采场上覆岩层的活动规律及结构形式均发生了较大的变化。
