1、综放开采顶煤冒放性与控制摘要：本论文选题针对煤层厚度大、高韧性、冒放性差，综采放顶煤开采工艺难以推广的技术难题展开研究。首先确定高韧性煤层的物理力学性质，初步提出了顶煤韧性的定义。根据顶煤冒放性差，确定了影响煤层冒放性的主要影响因素为节理裂隙不发育，韧性大，主要控制因素为顶煤裂隙。在此基础上，综合分析顶煤性质和弱化技术比较，确定了合理的顶煤冒放性控制方法为顶煤超前松动爆破弱化技术方法，提出了开采工作面采用工艺巷预爆破弱化顶煤。研究表明，对顶煤韧性的定义合理，顶煤冒放性评价方法得当，冒放性主要控制因素确定准确，在高韧性难冒特厚煤层条件下采用工艺巷顶煤预松动爆破弱化技术是煤矿实现高产高效生产必不可
2、少的关键技术之一。关键词:放顶煤；顶煤冒放性；松动爆破弱化；引言：长期以来，煤炭是我国的主要能源，其消费在我国一次性能源结构中的比例始终保持在70%以上。今后一个时期，随着我国产业结构和能源结构的调整，煤炭消费在我国一次性能源中的比例呈缓慢下降趋势，但煤炭消费总量依然上升，仅2004年全国煤炭产量已达到19.6亿吨，预计今后几年煤炭产量依然会呈现较快的增长态势。从主要耗煤行业分析，电煤消费增长最快，占煤炭消费总量的80。专家预测，在本世纪前30年内，煤炭在我国一次性能源构成中仍将占主体地位。我国人口众多，必然导致对能源有很大的需求，然而近几年我国的煤炭开采强度的加大以及在开发过程中的无序，其中
3、采出率偏低是一个很突出的问题。在今天需求与供应紧张的时期更显得棘手。 综合机械化放顶煤开采技术因其生产能力大、效率高、效益好等特点，已成为中国厚煤层开采的首选采煤方法，遍及中国厚煤层矿区，成为厚煤层矿区实现高效集约化生产的重要途径。近年来，随着综放开采工艺在厚煤层开采过程中广泛应用，该工艺在理论研究、工艺应用、配套设备开发等方面同时积累了许多宝贵经验，为矿井煤炭生产取得了良好的经济和社会效益。但由十种种原因，在许多生产矿井，厚煤层开采仍采用传统的分层开采工艺进行开采，特别是高韧性厚煤层，因其整体性破坏需要变形量大，致使顶煤不易破坏，导致顶煤冒放性差Ifn不能很好适应放顶煤开采，大大遏制了许多高
4、韧性厚煤层矿井的生产效率、效益的发挥。 采用综放开采一向被认为是一种有效途径，但对十高韧性煤顶煤的冒放性和顶煤弱化控制成为技术关键。几年来，我们通过顶煤爆破弱化技术，改善了高韧性煤层顶煤的冒放性，取得了一定效果。高韧性煤层顶煤冒放性和弱化控制研究，不仅对高韧性厚煤层高产高效开采有直接意义，对硬煤、节理不发育煤的顶煤冒放性研究提供了参考依据，对完善厚煤层综放开采具有重要的理论意义。1综采放顶煤技术的发展现状1.1综采放顶煤技术的发展与现状综合机械化放顶煤开采技术最早出现在国外。1957年，前苏联研制出了KTY型掩护式放顶煤液压支架，并在库兹巴斯煤田的托姆鸟辛斯克使用;1963年法国研制成功了“香
5、蕉”支撑掩护式放顶煤液压支架，1964年在布朗齐矿区获得成功;80年代初，匈亚利研制成功单输送机前开天窗式放顶煤液压支架。此后，波兰、南斯拉夫、印度等国都使用过综放技术，但效果不够理想，加上国际能源结构变化等原因，80年代后国外综放技术开始萎缩，90年代只有少数矿井使用。 我国综放的发展始十80年代。1984年6月，由原煤炭部立项，在沈阳矿务局蒲河矿用我国自行研制的FY400/14/28综放支架开始试验，后因支架稳定性差，四连杆强度不足损坏严重，加之设备的配套性不好，支架不能前移，造成工作面发火中止试验;1987年，平顶山矿务局一矿引进了匈牙利VHP-732型高位插底式放顶煤液压支架，取得了平
6、均月产44206吨，最高月产55000吨，回采率79.6%，平均工效25.5吨的初步成绩，1988年阳泉矿务局、1989年潞安矿务局开始试验，超过了以前各局所取得的效果。与此同时，在窑街、靖远、晋城、郑州、充州、辽源、平庄等矿务局也开始了推广使用。 进入20世纪90年代以来，综放开采得到迅速的发展，综放工作面个数逐年增加(图1.1示)，产量逐年上升(图1.2)，百万t综放队个数逐年增多(图1.3，综放工作面最高年产量持续增长(图1.4)1994年，全国综放开采的总产量达到3680万吨，有28个矿务局，62个综放面在生产。其中，年产量超过百万吨的14个。综放技术的迅速发展，在设备、工艺、安全保障
7、等方面做了大量的理论研究和现场试验，为近几年的发展打下了坚实的基础。到1998年，全国综放总产量达到7000万吨，综放工作面总数达到82个，全国64个百万吨综采队中，有28个是综放，其中9个队的年产达到200万吨以上，占当年200万吨队的81.8。使用条件由初期的缓倾斜煤层发展到倾斜、急倾斜煤层;由开采条件较好工作面发展到条件较差的“二软”、“两硬”、“不稳定”煤层。其中以缓倾斜厚煤层工作面的效果最明显，工作面最高年产量达到500万吨以上。目前，我国综放技术使用的数量、范围、技术的先进性和取得的效果，均居世界领先地位。1.2我国难冒煤层综放开采矿压显现特点分层开采与综放开采围岩支撑体系可以看出
8、，分层开采围岩支撑体系为老顶一直接顶一支架一底板，综放开采时围岩支撑体系变为老顶一直接顶一顶煤一支架一底板，综放开采顶煤体充当了原来意义上的部分直接顶，其力学性质随着工作面推进发生显著的变化，也就是说，综放开采在顶板岩层和支架之间增加一层强度较低的顶煤充当了部分直接顶，作为上位岩层活动的“垫层”，它起着综放开采时顶板下沉运动基础的作用，也是顶板回转下沉对支架作用的中介层，它的力学特点在支架一围岩关系中起着关键性作用，因此，分析综放开采的矿压不能全部套用分层开采的理论。 综放工作面一次开采厚度大、支架直接支护的对象为相对较为松软的顶煤，因此与中厚煤层或厚煤层分层开采相比，工作面矿压显现有明显的不
9、同。根据文献等大量研究结果，一般条件下的综放工作面矿压显现具有下述典型特点: (1)综放工作面支架载荷普遍较小。 (2)综放工作面支架所受动载荷普遍不强烈，动载系数较顶分层工作面低，周期来压对支架的影响明显缓和，表明基本顶的活动对支架作用明显减弱。 (3)四柱式综放支架前柱的平均工作阻力一般大十后柱的平均工作阻力。 (4)综放开采老顶平衡结构将向高位转移。综放开采由十一次开采厚度大，顶板活动空间大，上位岩层在工作面前方煤体、支架与采空区碎胀研石支撑作用下形成平衡结构。 对十顶煤经过弱化后，难冒煤层综放工作面矿压显现有下述特点: (1)工作面存在不明显的周期来压现象，特别是其中部分周期来压显现极
10、不明显，但有时来压持续时间较长。 (2)支架载荷较小目_波动较不大，但支架后柱载荷变化幅度相对较大，特别是放煤充分与否对支架后柱的载荷影响较大。 (3)周期来压对顶煤的采出率的影响明显，来压之前顶煤的采出率下降，来压期间顶煤的采出率较高，Ifn一般综放工作面顶煤采出率受周期来压影响较小。 (4)顶煤弱化对支架载荷有一定的影响，弱化程度差时，支架载荷变大，顶煤弱化好时，支架载荷波动变小。 在难冒煤层综放面，由十顶煤整体强度高，工作面前方支承压力的影响范围也相对较小，顶煤经过支承压力高峰的破坏后，在到达工作面支架上方时破坏程度较低、破碎块度大，是以较大的块体堆砌在支架上方。这种坚硬大块煤堆砌体中块
11、体间的咬合力和!摩擦力大、堆砌体的整体稳定性好、整体刚度大，具有较强的承载能力和传递上覆岩层破断运动压力的能力，因此顶煤未经弱化处理的工作面支架的工作阻力总体相对较大。1.3综放开采顶谋冒放性评价 对十难冒的煤层综放开采是否能成功很大程度上取决十回收率的高低，因此，应用综放开采时首先要评价煤层的冒放性。为了能很好的评价顶煤的冒放性，研究人员对顶煤的冒放性评价做了大量的研究。运用分形几何测定、现场统计、相似模拟等手段对综放开采顶煤冒放性进行了分类研究，将综放开采顶煤冒放性划分为5类；运用损伤力学的基本概念阐述顶煤损伤和冒放性之间的关系，建立了操作参量的计算模型，把顶煤损伤参量作为顶煤冒放性指标加
12、以研究；综放开采中，顶煤冒放性影响因素很多，影响情况复杂，评价顶煤冒放性时因素的取舍、指标的取值等没有明确的界限，具有很强的模糊性，北京开采所根据这个原理提出了运用模糊聚类分析法评价顶煤冒放性的研究办法。顶煤冒放性可以分为几下几类： I类:冒放性极好。这类顶煤主要是预防架前漏顶，只要选择有利十控制梁端漏冒的架。 II类：冒放性好。这类顶煤既有一定的稳定性，又有较适肩的冒落块度。 III类：冒放性中等。这类顶煤需要优化参数，选择适肩的架型，可以达到较好的放煤效果。 IV类：冒放性较差。这类采取专门的顶煤或顶板处理措施来提高冒放性。 V类：冒放性极差。采取顶煤弱化措施也不能达到理想冒放性。1.4综
13、放开采基本原理 综放开采是在厚煤层的下部布置工作面，利用地压破煤与自重落煤，有些冒放性差的顶煤体采取人为措施改善顶煤体的冒放性，这样将顶煤体放出的一种开采方法，顶煤体的破坏与破碎靠支承压力和支架一围岩相互作用。1.5改善难冒煤层冒放性技术提高难冒煤层顶煤冒放性主要有以下几种技术措施：一是爆破，爆破又分为深孔爆破和架前爆破，深孔爆破又分为两巷深孔爆破和工艺巷深孔爆破，下沟矿和鹤壁矿务局二矿采用架前爆破，鲍店煤矿和华亭煤矿采用两巷深孔爆破，忻州窑矿采用工艺巷深孔爆破;二是注水软化，如下石节209综放工作面、鹤壁矿务局二矿2119工作面;三是两者结合。2 综采放顶煤的资源损失与分析据 2003年统计
14、，我国综放工作面采出率平均达到81一83。根据煤炭行业政策，厚煤层回采工作面的采出率必须达到93以上，由此可见资源损失还是很大的。因此提高综放工作面采出率是急需解决的一个重要课题。2.1工作面资源损失组成综采放顶煤开采的工作面顶煤损失一般由2部分组成：正常损失即目前技术水平尚不能避免的损失；非正常损失，与地质条件和技术决策有关。正常损失包括：工艺损失、初采损失、末采损失、上下端头损失和落煤损失。非正常损失包括：地质构造引起的损失；技术决策损失。区段或分带煤柱损失：区段或分带隔离煤柱引起的煤炭资源损失。正常损失我们在现阶段的技术条件下虽然不能避免但是我们可以尽量减小它。而非正常损失却是可以避免的
15、。据开滦范各庄、兖州兴隆庄矿统计 ，工作面初采损失为 0.2 一 0.97。末采损失0.3 一1.04 ，上下端头损失1.6 一4.43，落煤损失8.84 一12.9。2.1.1正常损失1）工艺损失工艺损失是综放工作面煤炭损失的主要部分。在正常的放煤过程中，由于顶煤和直接顶在向下的过程中形成一个混合带，最后为了减少含矸率而不得不丢失一部分顶煤；或因放煤顺序不当，造成矸石提前窜入放煤口上方，从而导致煤炭丢失；刮板输送机溜槽以下的煤：在工作面长度方向上支架间脊背煤损失，这部分与架型有关，高位和中位液压支架的损失较大，低位插板式支架损失最少。工艺损失与放煤工艺（放煤方式、放煤步距等）顶煤的冒放性、煤
16、厚、架型等因素有关，一般占到工作面全部损失的0.5-0.7，损失率为7%-12%。2）初采损失指放顶煤工作面从开切眼起到正常放顶煤期间的顶煤损失，工作面一开始推进，只要顶煤能都冒落原则上就应该放煤。这有利于提高采出率和减少采空区冒落空洞瓦斯积聚。由于顶煤的冒放性和直接顶的跨落性不同，为防止直接顶初次跨落或基本顶初次来压时冲击采场，初采时不得不留部分顶煤在采空区，这样采出率将降低0.5%-0.8%。一般情况下在工作面初采的10-15m的范围内，顶煤放出率不大于50%。3）末采损失末采损失主要是为了保持停采撤出工作面设备时，有一个完整的顶板条件，易于撤出工作面设备并保证安全。这样就造成了煤炭的损失，约为
