關(guān)于綜采放頂煤安全開采間題的認(rèn)識(shí)(一)

1、關(guān)于綜采放頂煤安全開采間題的認(rèn)識(shí)(一)? 實(shí)踐證明，對(duì)于一般巖層覆蓋的采場(chǎng)，老頂總厚度大約為采高的4-6倍，老頂所包含的“傳遞巖梁”數(shù)目，一般不超過3個(gè)。組成老頂各“傳遞巖梁”的巖梁厚度為同時(shí)運(yùn)動(dòng)巖層的厚度之和。上下兩巖層同時(shí)運(yùn)動(dòng)的條件可由下式表示:? 在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，可以根據(jù)實(shí)測(cè)所得采場(chǎng)支架阻抗力或頂板下沉量隨工作面推進(jìn)距離關(guān)系曲線直接推斷老頂巖梁數(shù)目及運(yùn)動(dòng)步距值。? 老頂來壓時(shí)，直接頂和下位巖梁斷裂，破壞線深入煤壁前方，上覆巖層作用在煤(或巖)層上的“支承壓力”(或相對(duì)應(yīng)的支承反力)明顯的分為兩個(gè)部分，是該采場(chǎng)條件下結(jié)構(gòu)模型的重要特征.其中，處于“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”(圖3中S1部分)中的煤體已經(jīng)破壞，

2、其承受的壓力大小由直接頂和老頂運(yùn)動(dòng)的作用力決定。顯然，當(dāng)老頂來壓完成進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，該部分煤體的支承反力只要平衡直接頂?shù)淖饔昧纯伞７植加凇巴鈶?yīng)力場(chǎng)”(圖3中S2部分)煤體上的支承壓力由上覆巖層的總體作用力所決定，其大小分布范圍受直接頂和老頂?shù)挠绊戄^小。? 當(dāng)開采深度較小，或者煤層強(qiáng)度較高，支承壓力不足以超前破壞煤壁的情況下，采場(chǎng)的結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，即直接頂及老頂?shù)臄嗔哑茐膶⒃诿罕谔幇l(fā)生，“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”的范圍(S1)將趨于零。? 目前，作為實(shí)用礦山壓力理論的核心礦山壓力分布、礦山壓力顯現(xiàn)與上覆巖層(直接頂及老頂)運(yùn)動(dòng)間關(guān)系的理論研究已經(jīng)取得重要成果，通過礦山壓力顯現(xiàn)推斷上覆巖層運(yùn)動(dòng)和支承壓力分

3、布，實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板活動(dòng)和礦山壓力分布預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的“井下巖層動(dòng)態(tài)觀測(cè)研究方法”，已有了廣泛的實(shí)踐基礎(chǔ)。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)具體煤層和開采條件建立采場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型的工作已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)用階段.? 采場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型的類型和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，開采方法的選擇、開采參數(shù)確定等設(shè)計(jì)決策，也就有了科學(xué)的基礎(chǔ)。例如:知道直接頂?shù)暮穸萴2及老頂下位巖梁的厚度mE1和來壓步距CE1就能夠按下列要求選擇綜采支架，排除推垮工作面和壓死支架等重大事故:支架的允許縮量:rhA式中:Sr支架支護(hù)面積=支架寬度 (B)控頂距(Lk),m2;? hA下位巖梁裂斷來壓觸矸時(shí)的最大采場(chǎng)頂板下沉量，m;? hrmin上位巖梁裂斷前計(jì)算或?qū)崪y(cè)到的最小采場(chǎng)

4、頂板下沉量;? ?x懸頂系數(shù)? 同樣，知道了采場(chǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，為相鄰工作面準(zhǔn)備的回采巷道位置、開采或準(zhǔn)備的時(shí)間以及正確的維護(hù)方法，也不難確定。其中，屬于有內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)構(gòu)模型(如圖3所示)，如果不出現(xiàn)底鼓等情況，則正確的設(shè)計(jì)決策分別為:? 沿空留巷(圖3中1的位置):此時(shí)支架阻抗力最小需平衡直接頂?shù)淖饔昧?，支架的可縮量應(yīng)適應(yīng)下位巖梁觸研并壓實(shí)的沉縮全過程。其最小值hmin可由下式近似推出:式中:S1內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍，m;? B巷道寬度，m;? d老頂下位巖板側(cè)向裂斷寬度，一般接近推進(jìn)方向來壓步距(C1)? 煤柱護(hù)巷(即圖3中4的位置):此時(shí)巷道應(yīng)在接近原始應(yīng)力區(qū)的部位開掘，支護(hù)方式和支護(hù)阻力應(yīng)按相應(yīng)

5、區(qū)域的巷道壓力設(shè)計(jì)。? 在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)(即圖3中2的位置)掘巷:此條件下掘巷的時(shí)間必須在老頂運(yùn)動(dòng)基本穩(wěn)定之后，支護(hù)方式應(yīng)考慮內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)煤體已經(jīng)破壞的現(xiàn)實(shí)，支護(hù)阻抗力應(yīng)不低于平衡直接頂作用力的要求，可縮量應(yīng)能適應(yīng)工作面推進(jìn)至老頂來壓時(shí)的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)可能出現(xiàn)的最大巷道頂板下沉量。? 顯然出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)的條件下，要絕對(duì)避免在高應(yīng)力區(qū)(即圖3中3的位置)開掘和維護(hù)回采巷道。在該處布置巷道，圍巖將承受超過原始應(yīng)力(rH)的幾倍，不僅巷道維護(hù)困難，而且經(jīng)常在掘進(jìn)時(shí)引發(fā)沖擊地壓和瓦斯煤層突出等重大事故。? 對(duì)于圖4所示不出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)類型的采場(chǎng)，回采工作面控制設(shè)計(jì)以防止老頂動(dòng)壓沖擊為前題，無需考慮煤壁片塌和直接頂

6、破碎等事故。滿足此要求的支護(hù)阻抗能力，應(yīng)保證在直接頂和下位巖梁來壓時(shí)完全平衡其作用力，即不出現(xiàn)安全閥開啟、頂板沉降的情況。在該條件下考慮巷道礦壓控制設(shè)計(jì)決策的基本原則是沿空送道或把巷道布置在支承壓力分布區(qū)域(一般不超過810m)之外的任何位置。掘進(jìn)時(shí)間不受巖層運(yùn)動(dòng)限制。如果采用沿空留巷方案，則支護(hù)阻抗力應(yīng)平衡垮落直接頂?shù)淖饔昧?，壓縮量則必須適應(yīng)老頂穩(wěn)定過程中的全部巷道沉降量。? 放頂煤綜采條件下的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，與同一煤層分層開采條件下的結(jié)構(gòu)模型相比有以下特點(diǎn):? 由于采出煤層的厚度(采高h(yuǎn)d加放出頂煤厚度hr)增加，冒落巖層總厚度即直接頂厚度(m2)將比分層開采大的多，具體值仍可按頂

7、分層開采條件下的頂分層冒高即式(3)(8)的推斷方法確定。? 頂煤的實(shí)際回收情況對(duì)采場(chǎng)結(jié)構(gòu)組成狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)的影響很大。有關(guān)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的影響要比分層開采復(fù)雜得多。因此，采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律性是頂煤回收率是否均衡可靠的一個(gè)重要標(biāo)志。在放頂煤開采條件下，垮落的直接頂厚度(m2)與采空區(qū)殘留的浮煤高度(hf)間的關(guān)系可用式(13)表出:? 由于一次采出煤層厚度增加，出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的可能性及應(yīng)力場(chǎng)所伸展的范圍都比分層開采條件下大得多。研究證明，內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍與一次采出的煤層厚度(hr+ hd)近似成正比。? 針對(duì)放頂煤開采的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型特點(diǎn)，其開采設(shè)計(jì)決策應(yīng)考慮下述原則:? a支架阻抗力的下限應(yīng)

8、能按平衡頂煤和直接頂同時(shí)運(yùn)動(dòng)的作用力;上限不超過對(duì)老頂下位巖梁(mE1)采取限定變形工作方案設(shè)計(jì)，即:? 合力作用點(diǎn)距煤壁的距離，m? 對(duì)于放頂煤支架，合理的工作狀態(tài)應(yīng)保證合力作用點(diǎn)處于控頂區(qū)的中央，即Li =0. 5Lk。? b鑒于內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍的擴(kuò)大，更有條件考慮在內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中掘進(jìn)布置回采巷道，以解決采場(chǎng)巷道礦壓控制方案問題.3提高放頂煤綜采回收率及實(shí)現(xiàn)條件? 鑒于能保證均勻分層開采的煤層條件并不多，加之分層開采巷道煤柱損失不可避免，因此簡(jiǎn)單的得出繚放采區(qū)回收率將低于分層綜采的結(jié)論是不正確的。相反，對(duì)于厚度有變化，特別是構(gòu)造復(fù)雜的厚煤層，只要頂煤? 頂煤在移架過程中.依靠反復(fù)支撐繼續(xù)剪切破壞頂

9、煤是一個(gè)非常重要的過程。但是，只有當(dāng)頂煤的前述兩個(gè)破壞過程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的條件下，才能起到作用。支架阻抗力愈高，初撐力愈大(接近工作阻力)，其作用的發(fā)揮效果愈好。? 綜上所述可知，頂煤能否超前煤壁破壞是判別煤層可放性的基礎(chǔ)。只有煤壁前方出現(xiàn)壓力顯現(xiàn)隨老頂活動(dòng)而明顯變化的“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”，才有可能在不采取爆破等輔助性破煤措施的情況下，實(shí)現(xiàn)較高回收率的目標(biāo)。實(shí)踐證明，當(dāng)頂煤超前破壞不能實(shí)現(xiàn)(即無“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”)，特別是當(dāng)頂板比較堅(jiān)硬，不能隨頂煤放出而及時(shí)冒落的情況下，采用先開采頂分層，網(wǎng)下放頂煤的方案是十分有效的。采用該方案，可以通過在支架前上方打眼爆破松動(dòng)后，依靠已經(jīng)歷過一次運(yùn)動(dòng)的頂板壓力破碎頂煤，實(shí)現(xiàn)高回

10、收率放煤的目的。3. 2放煤工藝及支架工況的確定? 在頂煤能氣破碎放出，頂板條件適宜的前提下，相適應(yīng)的正確的合理的放煤工藝及與之相適應(yīng)的支架選型和工作狀況的確定，是保證較高回收率的關(guān)鍵。? 綜采放煤工藝包括放煤程序、放煤步距、放煤時(shí)間及放煤量的控制等。合理的放煤工藝的實(shí)現(xiàn)，與支架型式選擇、支架初撐力和工作阻力的確定，以及支架在采場(chǎng)的實(shí)際工作狀態(tài)緊密的聯(lián)系在一起。合理的放煤工藝應(yīng)保證放煤過程中頂煤運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性和規(guī)律性，保證直接頂板有規(guī)律的暴露(失去頂煤支承)和及時(shí)的冒落，見圖6(a)，保證支架及時(shí)有規(guī)律的承壓，并按要求的工作狀況控制頂板的運(yùn)動(dòng)和頂煤的活動(dòng)。根據(jù)理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的分析，可以歸納出

11、符合上述要求的工藝原則為:要保持要求的安全割煤和移架放煤間距，防止出現(xiàn)圖6-(b)所示支架蹬空(上方頂煤放空)，誘發(fā)端部漏頂事故。盡可能將放煤步距、移架步距與直接頂，特別是足夠厚度的下位巖層垮落步距統(tǒng)一起來。應(yīng)當(dāng)考慮研究移架步距與一次割煤步距不同步的放頂煤支架。采用依次連續(xù)跟進(jìn)順序放煤，以保證盡可能的擴(kuò)大已經(jīng)啟動(dòng)的放煤口寬度和已啟動(dòng)的頂煤順向流動(dòng)的連續(xù)性，保證直接頂板暴露和垮落的連續(xù)性和規(guī)律性。如果單口放煤不能滿足運(yùn)輸機(jī)運(yùn)出能力的要求，可以采用分段同時(shí)工作方案。應(yīng)當(dāng)避免采用隨意間隔開口分點(diǎn)放煤的工作程序。? 放頂煤支架必須有足夠的工作阻力和盡可能高的初撐力，保證控制頂煤和頂板運(yùn)動(dòng)的需要。支架的

12、工作阻力絕對(duì)不能小于平衡垮落的直接頂作用力的需要。目前，由于不少放頂煤工作面頂煤回收不盡、采空區(qū)不均勻堆積的浮煤對(duì)頂板結(jié)構(gòu)組成和支承狀況的影響，實(shí)測(cè)出的支架阻抗力要比分層綜采低得多。必須指出，這個(gè)結(jié)果是靠老塘丟煤換來的，不能由此得出放頂煤綜采工作面支架阻抗力可以比分層綜采低的結(jié)論。由圖6 - (a)可知，必須保證放頂煤支架在高承載(阻力高)和“高位態(tài)”(升架高度大.前后柱阻力和縮量相近)的狀況下工作。防止出現(xiàn)圖6- (b)所示支架上方蹬空和端部漏頂事故。實(shí)踐證明。對(duì)于采用低位放煤的四立柱支撐掩護(hù)式支架，使前后柱處于基本相同的高阻力狀態(tài)下工作，能保證在充分發(fā)揮頂板壓力破煤作用的同時(shí)，可靠的避免支

13、架上方頂煤在移架前片塌的危險(xiǎn)。保持“放煤漏斗”中軸線偏向采空區(qū)是防止端部漏頂?shù)年P(guān)鍵。目前，某些放頂煤綜采工作面以想象有利于放煤需要.人為降低后立柱高度和阻抗力的做法是不正確的。? 在移架過程中保證支架前后柱能升到要求的高度并達(dá)到要求的初撐力.是保證支架按高承載和高位態(tài)狀況下工作的關(guān)鍵。3. 3提高放頂煤開采采區(qū)回收率的措施? 提高綜放采區(qū)回收率要從提高工作面頂煤放出率和減少護(hù)巷煤柱損失兩個(gè)方面同時(shí)入手。對(duì)于厚度超過10m的厚煤層，特別是在直接頂板堅(jiān)硬的條件下，應(yīng)采用在開切眼處強(qiáng)放直接頂，先采頂分層網(wǎng)下放頂煤的方案。這樣既發(fā)揮了網(wǎng)下綜放回收率高的優(yōu)勢(shì)，又能避免整層放頂煤綜采老頂?shù)谝淮蝸韷浩陂g高的

14、頂煤損失。在減少護(hù)巷煤柱損失方面的關(guān)鍵措施是改變開拓準(zhǔn)備布置，實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)定的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中掘進(jìn)和維護(hù)回采巷道。? 從前述“綜放采場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型”的特點(diǎn)可知，同一煤層“綜放”條件下，支承壓力影響范圍和其中的寬度，都要比分層開采條件下大得多。這一結(jié)果說明，如果采用在原始應(yīng)力區(qū)開掘巷道的煤柱護(hù)巷布置，“綜放”條件下的煤柱損失，將會(huì)比同一煤層分層開采大得多。相反，由于“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”范圍擴(kuò)大.采取在穩(wěn)定的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中開掘和維護(hù)巷道，就有了更加可靠的條件。4放頂煤綜采安全開才的條件? 在“綜放”采場(chǎng)是否更容易發(fā)生巖層運(yùn)動(dòng)和礦山壓力有關(guān)的沖擊地壓、瓦斯和煤層突出等重大事故?能否避免這些事故的發(fā)生? 可以想象，在“綜放”條件下，由于頂煤的厚度大，無論是巷道還是工作面，這類事故一旦發(fā)生，其突出強(qiáng)度都有可能比分層開采大得多。但必須指出，不考慮具體開采條件下巖層運(yùn)動(dòng)和礦山壓力分布的特點(diǎn)，不考慮巷道開掘的位置和開掘時(shí)間的區(qū)別，簡(jiǎn)單得出“開采深度大，