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1、放顶煤开采理论第一章 绪论一、放顶煤定义及其优越性二、放顶煤开采技术发展与现状三、综放开采基本原理四、坚硬顶煤垮冒破碎的一般特征放顶煤定义及其优越性q 我国针对厚煤层的典型的采煤方法有两种分层开采整层 开采，如果要选择整层开采则优选综采放顶煤开采。q 放顶煤开采是针对厚及特厚煤层开采发展起来的一种采煤工 艺。它是在厚煤层的下部布置一个采高(23)m的工作面，随 着工作面的推进，在前方支承压力的作用下，使工作面上部 的煤体压裂破碎，并在支架尾部切顶线附近冒落放出的一种 采煤方法。它与其他采煤方法的不同在于，除有一个包括破 、装、运、支、控全部工序的普通长壁采煤工作面外，同时 在支架的后部还有一套
2、破、放、运等的顶煤回收系统，即前 后两个采出煤炭的工作场所组成了一个完整的放顶煤工作面 。 q 它与传统的分层开采相比具有显著的优越性:q 不受煤层厚度变化的限制，可实现一次采全厚，大大提高 了煤层开采强度。q 可以充分利用中厚煤层长壁开采高效采煤机和刮板输送机 ，在不增加支架高度的条件下一次采出4.5m以上煤层，不仅 设备初次投资少，而且省下大批假顶材料费和人工费。q 利用矿压落煤，是一种低能耗的采煤方法，与分层开采相 比，可以节省电力和增加煤炭块率。q 巷道布置简单，掘进工程量与维护工程量小，可以节省大 量掘进和运输工作，缓解采掘接替紧张的矛盾，减少工作面 的搬家次数，为提高矿井全员效率创
3、造了条件。q 工作面有两个出煤点同时出煤，可提高单产和工效。综放开采有其适用条件，也就是：“顶煤冒放性” 是我们研究问题的核心；提高“顶煤回收率”是我们研究问题的关 键。放顶煤开采技术发展与现状q综放开采回收率现状q综放开采技术发展现状q我国综放开采矿压显现特点放顶煤开采技术发展与现状综放开采回收率现状q 综放开采经过20多年的探索、完善与提高，在巷道支护、支架 造型设计、一通三防、综放工艺等方面有了长足发展并日趋成 熟，但在提高煤炭资源的回收率问题仍然是综放开采技术研究 的关键，尤其是对于难冒煤层的回收率更应进行深入研究。q 从综放工作面煤炭损失结构来看，煤炭损失主要由3个方面构 成：一是工
4、作面在初采和末采期间，由于不能放煤或不能充分 放煤而引起的损失；二是工作面两端过渡支架和端头支架不能 放煤而引起的损失；三是放煤工艺引起的损失，其中包括顶煤 的冒放性、放煤方式、放煤步距的影响和储量管理工作的影响 ，其中顶煤的冒放性起决定性的作用。q 研究资料表明放煤工艺损失是综放工作面煤炭损失的主要构成 成分，平均损失率为12.95%，占总损失率的67%。q 综放开采目前存在的主要问题之一就是工作面回收率偏低，影响 综放工作面回收率的外在因素很多，大体上可以分为两类:q 第一类，开采设计参数的影响。q 其中主要包括工作面长度、工作面推进长度等。q 第二类，赋存要素以及煤层力学特性对工作面回收
5、率的影响。赋 存要素包括煤层厚度、开采深度、煤层裂隙发育程度等；煤层力 学特点包括煤层的抗压强度、抗拉强度、韧性等。 q 对于难冒煤层而言，主要是指赋存要素以及煤层力学特性对冒放 性的影响，q 而对煤层冒放性影响最重要的因素是煤层的硬度、煤层的赋存深 度和韧性等。q综合以上分析可知，综放开采回收率低的主要原因是 顶煤冒放性不好，所以要提高回收率，主要是改善顶 煤的冒放性。对于易冒煤层只要采取合理的放煤工艺 就可以提高顶煤的回收率；对于难冒煤层首先应提高 顶煤冒放性，然后再采取合理的放煤工艺，减少煤炭 损失。q综放开采开采技术发展现状 q 从20世纪70年代开始，综放开采支架沿两个方面发展，q
6、一条是前苏联、前南斯拉夫、波兰、匈牙利等东欧国家在KTY 支架基础上逐渐改进，把放煤口位置由顶梁前部改在顶梁后 部，使用液压支柱控制放煤口开关，工作面采煤机采煤和放 煤共用一部输送机，支架尾梁封闭，属支撑掩护式支架，如 匈牙利的VHP系列支架；q 另一条思路是法国、原西德、英国、等原西欧国家，在法国 香蕉型支架基础上不断发展，工作面布置前、后两部输送机 ，放煤口用千斤顶带动开闭，如英国道梯公司的4O0t掩护式 综放支架等。q我国难冒煤层综放开采矿压显现特点q 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 显现有明显的不同。根
7、据文献大量研究结果，一般条件下的综放 工作面矿压显现具有下述典型特点:q (l)综放工作面支架载荷普遍较小。同一煤层综放开采与分采开 采顶分层相比，工作面的支架载荷减少5%68%，来压强度减少 15%20%。q (2)综放工作面支架所受动载荷普遍不强烈，动载系数较分层开 采的顶分层工作面低，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。q(3)四柱式综放支架前柱的平均工作阻力在大多数情 况下大于后柱的平均工作阻力。q(4)综放开采老顶平衡结构将向高位转移。综放开采 由于一次开采厚度大，顶板活动空间大，上位岩层在 工作面前方煤体、支架与采空区碎胀矸石支撑作用下 形成平衡结构
8、。q对于顶煤经过弱化后，难冒煤层综放工作面矿压显 现有下述特点：q (l)工作面存在明显的周期来压现象，特别是其中部分周期来 压显现明显剧烈，来压持续时间较长。q (2)支架载荷较大且波动较大，特别是支架后柱载荷变化幅度 大，支架平均载荷与分层开采相比差别不大，但来压时的最 大平均工作阻力明显大于分层开采时。q (3)周期来压对顶煤采出率影响明显，来压之前顶煤的采出率 下降，来压期间顶煤的采出率较高，而一般综放工作面顶煤 采出率受周期来压影响相对较小。q (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，弱化程度好时，支架载荷波动变小。q 原因：在难冒煤层综放面，由于顶煤整体
9、强度高，而且工 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，因此支架的工作阻力总 体相对较大。q综放开采基本原理q 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围岩相互作用。q 顶煤破坏过程一般可分为4个阶段：顶煤
10、强化阶段，支承压 力峰值点之前的应力上升过程。随着三向应力的增加使顶煤 发生损伤，而部分原有缺陷发展成新的微细裂隙，但各种裂 隙均处于闭合状态；裂隙扩展阶段，支承压力峰值点之后 至工作面煤壁的应力迅速下降过程；破碎松动阶段，工作 面控顶区的顶煤破碎阶段；冒放阶段，支架后顶煤的垮落 放出阶段。 q 在顶煤的破碎过程中，第、阶段矿山压力作用是关键， 它对顶煤的破坏发展起主导作用，而第、阶段顶煤的破 坏、破碎主要靠支架围岩相互作用。可以看出，顶煤体在 运移过程中的破坏发展是一个渐进的过程，是一个量变到质 变的过程。 q坚硬顶煤垮冒破碎的一般特征q (l)垮落顶煤的破碎块度大，特别是不合格的特大块(特
11、征尺寸大 于放煤口特征尺寸)多。q (2)顶煤多呈周期性步距式的破断垮落。根据模拟实验和现场观 察，顶煤周期性垮落步距一般14m，有时可达5m左右。q (3)顶煤垮落形态多为倒台阶形、悬臂形，垮落角多数小于60 ，垮落顶煤的堆积位置距放煤口相对较远。q (4)顶板往往由于悬顶而滞后垮落，顶煤冒堆之上常有较大的空 洞出现。q (5)放煤过程易形成挤压交接拱体结构，放煤连续性差。q (6)支架反复支撑的破煤厚度较小。第二章 影响顶煤冒放性因素分析及顶煤分类一、影响顶煤冒放性地质因素分析 二、顶煤的模糊识别与判定三、坚硬顶煤垮冒难度分类 顶煤的冒放性是指顶煤本身冒落和放出及其难易程度 的度量，亦即顶
12、部煤体可冒性和可放性的总和。在什 么条件下，顶煤冒放性好，可采用放顶煤开采，在什 么条件下，顶煤冒放性差，不能采用放顶煤开采，必 须有一个确定的评价。为了评价具体条件下顶煤的冒 放性，则应该弄清影响顶煤冒放性的主要因素及其影 响规律，并且根据诸因素的影响程度大小进行综合评 价。影响顶煤冒放性的因素很多，从总体上可分为地 质因素和技术因素两大类。 影响顶煤冒放性地质因素分析地质因素q 开采深度q 理论分析和现场观测证明：放顶煤采煤法的顶煤运动和 变形过程可以分为四个阶段（见图）：顶煤变形区I、顶 煤压裂区、顶煤松动区和顶煤放落区IV，之所以产 生这四个阶段，主要是在工作面前方移动支承压力峰值 作
13、用下使顶煤变形、压裂而引起的，任何情况下的放顶 煤开采必然经历这四个阶段。从赋存条件来看，决定顶 煤冒放性的关键是在前方支承压力作用下顶煤能否在压 裂区破碎以及破碎的程度如何?q 煤层厚度q 煤层厚度对顶煤冒放性的影响，实质上是顶煤厚度与底分层 回采采高之比亦即放采比的影响。直观来看，过薄的顶煤属 于伪顶，随采随冒，亦可能超前漏顶。此时支架不能有效地 控制直接顶，导致直接顶超前破碎到放煤口时，与顶煤混矸 一起放出，不仅煤质受影响，且在控制一定灰分时易丢失大 量顶煤。另一方面，过厚的顶煤在控顶区内，由于支架的反 复支承对顶煤挤压作用，其挤压范围有限，尤其是上部顶煤 很难得到充分松动，未经松动的顶
14、煤在冒放区内也是难以冒 落的，放煤过程中刚开始松动和变形的上部顶煤，往往滞后 冒落，这种冒落会与直接顶的冒落混在一起，而使放煤含矸 率增大。因此放顶煤开采的最大煤层厚度和最小煤层厚度应 当有一定范围，以保证较高顶煤回收率。下面针对放顶煤开 采最大、最小临界煤层厚度进行探讨和研究。q 所谓最大临界煤厚是指小于此厚度的煤层都具有较好的冒放性 ，放顶煤开采时在顶煤回收率和经济效益上都是合理的。而大 于最大临界厚度的煤层其顶煤放出率低，冒放性较差。q 根据研究表明，软煤的典型冒放结构为柱状冒落结构。此时最 大临界煤厚可按顶煤冒落碎胀系数来确定，即：q 式中：M1底层采高，m；q 放煤口高度，低位放煤0
15、，中位和高位放煤，分别为相 应放煤口下沿中心至底板高度，有四种规格，1.2，1.5，1.8 和2.0m；q Kp顶煤冒落碎胀系数，对呈散体的柱状冒落=1.3。q 中硬煤的典型冒放结构为顶煤冒落半拱式结构。此时最大临界 煤厚应为：q 所谓最小临界煤厚是指放顶煤开采的最小厚度。一般而言，现 有大采高支架一次采全高的最大厚度即应是放顶开采的最小厚 度。但此厚度从冒放性角度考虑是否合理呢? （1）从软煤的柱状冒落结构研究最小临界厚度q （2）从中硬煤的半拱冒落结构研究最小临界厚度q 根据半拱冒落结构，得中硬煤条件下最小临界厚度为：q 采放比的确定采放比的大小直接影响工作面的采出率和放顶煤的经济效益，下
16、 面对采放比进一步进行分析。众所周知，任何松散体的冒落都是自然形成的，且拱高与拱宽成 一定比例，不可能无限冒落，煤也不例外。顶煤是一种半拱式的 冒放，拱宽前方受放顶煤支架的限制，后方虽无限制，但冒落在 采空区的煤是不可回收的，从而导致拱宽和拱高都受到一定程度 的限制。最大采放比是指放顶煤最大可能的放煤厚度与底层采高之比，研 究表明，放顶煤的最大极限开采厚度为13m，其底层采高一般为 2.53.5m,所以采放比为1:41:3，通常在最大采厚条件下，为 了获得最高采出率，底层采高也应最大，故放顶煤的最大采放比 不得低于1:3；最小采放比是指放顶煤最小可能的放煤厚度与底 层采高之比，放顶煤的最小开采厚度为4.5m，此时采放比一般为 1:0.81:0.6，也就是说，小于1:0.6的采放比是不合理的。q 煤层强度q 煤体强度是抵抗破坏能力的主要指标。单轴抗压强度在一定 程度上代表了煤体对应力的反应能力。考虑煤体没有弱面的 情况，煤体的大小对在压力作用下发生破坏的影响是线性的 ，即越大，顶煤被压裂或破坏的效果越差，其冒放性也越差 。现
