煤矿开采学煤矿开采学 资源与环境工程学院资源与环境工程学院 刘承论刘承论 第七章 长壁放顶煤采煤法 longwall mining with sublevel caving 厚煤层长壁放顶煤采煤法类型和采煤系统 支护设备 矿压特点及顶煤破碎机理 工艺特点 采煤系统分析 适应条件及评价 第七章 长壁放顶煤采煤法 longwall mining with sublevel caving 第一节 厚煤层长壁放顶煤采煤法类型和采煤系统 一、长壁放顶煤采煤法 概念 长壁放顶煤采煤法：开采缓斜厚煤层时，先采 出煤层底部长壁工作面的煤，随即放采上部顶煤 的采煤方法 或：在缓斜厚煤层的底部（或煤层上部某一范围的底 部）布置长壁工作面用常规方法进行采煤，随该工作面推 进，利用矿山压力或人工破碎方法，将顶煤破碎，而后将 顶煤放出，由采面运出 放顶煤采煤的基本工艺类型 一次采全厚放顶煤开采 预采顶分层网下放顶煤开采 倾斜分段放顶煤开采 放顶煤采煤工艺基本特点： 1、采面采煤：同综采、普采、炮采 2、增加了放顶煤工艺 3、采煤循环 — 完成采、放全部工序过程 放顶煤采煤的基本类型 • 按采煤工艺分： 炮采放顶煤开采 普采放顶煤开采 综采放顶煤开采 q 综采放顶煤 综采重型支架放顶煤 综采轻型支架放顶煤 q 简易放顶煤 滑移顶梁液压支架铺顶网 单体液压支柱配Π型钢梁 铺顶网 放顶煤采煤的基本类型 • 按放顶煤面输送机数目，分： 单输送机 双输送机 • 按综采放顶煤液压支架放煤囗及位置，分： 高位放顶煤液压支架； 中位放顶煤液压支架； 低位放顶煤液压支架。
放顶煤液压支架类型 高位放顶煤单输送机液 压支架 （平顶山、辽源、潞安 ） 煤尘大、采放不能平行 作 业、回收率低 放顶煤液压支架类型 中位放顶煤双输 送机液压支架 （阳泉、乌鲁木 齐、抚顺） 1-伸缩梁 2-伸缩千斤顶 3-侧推千斤顶 4-顶梁 5-摆杆千斤顶 6-摆动杆 7-掩护梁 8-放煤千斤顶 9-底座 10-后部溜千斤顶 放顶煤液压支架类型 低位放顶煤双输送 机液压支架 （兖州、鹤壁、晋 城） 后输送机铺在底板 上，煤尘小，有发 展 前景 1-前梁，2-前梁千斤顶，3-顶梁，4-支柱，5-上连杆，6-掩护梁 7-摆动尾梁，8-支撑板，9-后部溜千斤顶，10-底座，11-推杆， 12-操纵阀 放顶煤液压支架类型 放顶煤采煤的基本类型 • 按回采巷道的布置方式，分： 1） 缓倾斜特厚煤层一次采全高放顶煤采煤法 特点：（1）采面采高： h1=2.03.0m, （2）放顶煤高度： h2= (1-3) h1 适用：M 4.5m ，M 3 （二）生产系统l 运煤 l运料 l 通风 辅巷 （三）主要参数 1、工作面长度 1）主要影响因素 q 顶煤破碎 q 顶煤放出 q 煤炭损失 采场上覆岩层充分运动—有 利于破煤。
当采面 80m时，顶煤不能充分破碎，放煤难 工作面长度的主要影响因素 2）原则：一个班内要将顶煤放完 一个班内将顶煤放完为原则确定的工作 面长度： 式中：l — 采面长度，m；n — 同时放煤的支架数，n 3； T— 每班工作时间，min； t —每架支架放煤所需时 间，min； B—支架宽，m； — 班工作时间利用率 T、B、n —视为常数 工作面长度计算实例： 阳泉一矿：M=6. 5m，顶煤4m， 平均每架放煤 t =5 7min，取n=2， B=1.6m, T. = 5h 得：l =135 190m 平一矿： M=7 9m， 顶煤5 6m， t = 8min , T.=5h 则: l= 96m实际采面长87m 工作面长度 一般工作面长度150m， 高产高效工作面长度达200m， 国内最长的工作面达270 m 兴隆庄：302m， 济三矿：280m， 东滩：200m 2、工作面连续推进长度 一般大于800 1000m， 加中切眼后，已加大到 2000m以上 简易放顶煤工作面的连续推进长度不应小于600 800m 第二节 综采放顶煤矿压显现及顶煤破碎放出规律 一、综采放顶煤矿压显现规律 综放面矿压显现也有周期性 支架载荷没有随采厚加大而大幅度增加 综放工作面开采引起的支承压力对两巷的影响距离增 加，影响程度降低。
放顶煤开采时，由于煤层一次采出厚度的增大，直接顶 的垮落高度成倍增加，可达煤层采出厚度的2.0～2.5倍，其 中1.0～1.2倍范围内的直接顶为不规则垮落带，而在上位直 接顶中则可形成某种临时性“小结构”，其活动可对采场造 成明显影响 综放采场上方仍可形成稳定的“砌体梁”式老顶结构， 如图7—6所示，由于松软顶煤的参与，缓和了支架与老顶之 间的相互作用，因而支架阻力通常不大于分层开采的支架阻 力这也是综放开采矿压显现的主要特点之一 22 二、顶煤破碎和放出规律 （一）顶煤破碎和影响因素 实体煤 — 破碎煤块 —放煤口 顶煤破碎是 支承压力 + 顶板回转 + 支架作用=共同作用（的结果 ） 综放开采时，顶煤的有效破 碎和顺利放出是放顶煤工作的核 心问题，而顶煤的有效破碎又是 顶煤顺利放出的前提，同时也是 支架选型及确定放顶煤工艺的依 据 煤层的采出必然造成煤壁前方 的应力集中，即形成支承压力 随工作面的继续推进，顶煤又先 后承受顶板和支架的作用顶煤 破碎是支承压力、顶板活动(回 转)及支架支撑共同作用的结果 顶煤破坏过程 初始破坏区 在支承压力作用下，煤 壁前方较远处顶煤由弹性变 形进入塑性变形，原生裂隙 扩展，顶煤初始破坏。
支承压力峰值大小与工 作面长度有关 A-完整区-初始破坏 顶煤破坏过程 破坏发展区 B 受顶板回转 作用，煤壁前 方附近顶煤发 生破坏，裂隙 扩展，位移增 大 (a) (b) 顶煤破坏过程： 裂隙发育区 C 支架反复支撑，控顶区内 的顶煤形成发育的裂隙（ 下位2～3m的煤有效） 梁长顶煤破碎加剧，顶上易 冒空支架反复支撑的次 数n与顶梁长度L及截深B有 关 L=nB ，支架顶梁长度； B = 0.6m，截深 n =3 7次，支架反复作 用次数 顶煤强度小，节理发育， n取小值； 反之，n取大 值 顶煤破坏过程： 垮落破碎区 D 顶煤完全破坏， 失支连续性， 在支架后方垮 落放出 （三）顶煤放出规律 1、椭球体放矿理论 椭球体放矿理论认为 ：矿石在采场破碎后，是 按近似椭球体形状向下自 然流动下来的，即原来所 占的空间形状为一个旋转 椭球体，放煤椭球体表面 上的颗粒将大体同时到达 放煤口 1-放出椭球体，2-放出漏斗 3-松动椭球体，4-移动漏斗 2、 放出椭球体参数 设长轴2a = h， 短轴为2b1； h — 放顶煤高度 生产实践及实验表明： 2b1=（0.25 0.3）h b1= （0.25 0.3） h / 2 3、 松动椭球体 理论认为： 放煤的同时，放出椭球体 周围的煤岩也将向放煤 口移动，充填放煤留下 的空间，此空间体与放 出椭球体相似，称松动 椭球体。
松动椭球体参数： 松动椭球体高度为H， H =（2.2 2.6）h 4、 放煤口间距 放煤口间距l 大小影响放煤效果 当l 2b1时，脊背煤损失大； l 越大，损失越大； 放煤口间距 当l 2b1时， 脊煤损失小，煤矸石混杂 支架选取后，l 是确定的，要求合 理放煤工艺，减少煤损，不增加混 矸 第三节 综采放顶煤工艺特点 一、放顶煤工艺特点 （一） 初末采放煤工艺 初期：初采推进1020m不放煤（煤损多） 现在：多数工作面从开切眼处放煤 措施：让顶煤和顶板垮落 初期；距停采线20m铺网、停止放煤；或工作面沿底 板爬至顶板（煤损多） 现在：距停采线10m铺网、停止放煤 措施：选择合理的停采线位置，以利于撤面 防止后方矸石窜入 （二）放煤步距（循环放煤步距） 1、放煤步距（循环放煤步距）： 在工作面推进方向上，前后两次放顶煤之间工作 面推进的距离 确定放煤步距原则： 顶煤充分破碎，提高采出率，减少煤矸混杂 放煤步距大，顶煤放不出，煤损大； 放煤步距小，煤矸混杂，煤质差 放煤步距太大：顶板方向的矸 石先于采空区后方的煤达到 放煤口，关口，顶煤放不出 放煤步距太小：采空区方 向的矸石先于上部顶煤到 达放煤口，顶煤损失部分 放煤步距影响因素 顶煤厚度；顶煤可放性； 顶煤冒落时的垮落角； 直接顶厚度。
当前，生产实践中 截一刀放顶煤一次，（顶煤厚度较小） 截两刀放顶煤一次，（顶煤厚度较大） 截三刀放顶煤一次，（顶煤厚度较大） 阳泉一矿实则：放煤步距与采出率和含矸率的关系 放煤步距(m)采出率(%)含矸率(%)备备注 0.5 0.6 打开放煤口即 有矸石混杂杂 1.0 1.286.511.45 1.5 1.872.9312.27 2.0 2.470.48 16.99 （三）放煤方式 放煤方式： 放顶煤工作面放煤顺序、次数和放煤量的配合方式 1、多轮、分段、顺序、等量放煤 采面分2 3段；段内同时开启两个相邻放煤口； 每次放1/2 1/3的顶煤；按顺序循环放煤， 直至该段全部放完；再进行下一段放顶煤 优点：可使冒落煤岩分界面均匀下降，采出率高，含矸率 低；充分利用放煤口面积，放煤快 缺点：要求操作水平高 适用：顶煤3m以上 放煤方式 2、多轮、间隔、顺序、等量放煤 放煤口放煤顺序 先放1#、3#、5#、7#、、、、、、、、 每次放1/2 1/3的顶煤； 后放2#、4#、6#、8#、、、、、、、、 每次放1/2 1/3的顶煤； 反复两三轮 优点：可使冒落煤岩分界面均匀下降，采出率高，含矸 率低；丢煤少 3、单轮、间隔、多口放煤 先放 1#、3#、5#、放顶煤 ，见矸关口，留较大脊背煤； 滞后一定距离放 2#、4#、6#、 放出留下脊背煤中的一个 椭球体。
优点：操作简单，容易掌握；放 顶 效果好， 丢煤少，少出 矸 适用：广泛采用 （四）煤炭损失 国家规定：厚煤层采区采出率 75% 1.采区煤炭损失 1）护巷煤柱损失 2）采面的回采损失（初采、终采，放煤工艺） • 初采损失率，为防止顶板冲击支架， 开切眼放煤量 往往控制在80%；采空区充填物高度约等于支架高度 • 末采损失率（末采损失率与采面推进长度成反比） 放顶煤采面收尾方法： (1)为安全拆除设备，距停采线1015m内，铺网、不放顶煤 ， 以保持顶煤及顶板稳定性 适用：顶煤较硬较稳定条件 (2)以8 10的坡度，采面爬顶，停采线处顶板为岩层 三角煤损失 适用：煤软 煤炭损失 • 端头损失：端部2 3架不放顶煤，保护出口此损 失 与采面长度成反比 • 放顶工艺（脊背煤损）损失 • 采面泼洒损失 2、提高煤炭采出率的技术措施 采用切顶巷 鲍店矿，M=8.7m，煤f=3.13.9， 采面推进3.4m，顶 煤冒落，推进7.8m，直接顶垮落，步距减少了5.2m； 回采 率提高了0.31% 。
在切顶巷两帮内打眼放炮，扩大切顶效果 采 面 推 进 方 向 切顶巷 切眼 第四节 综采放顶煤长壁采煤法的应用 一、综采放顶煤与厚煤层分层开采相比（优/缺） （1） 有利于合理集中生产，单产高，效率高（兖州矿区 综放面产量已超过500万t/a，工效已超过200t/工） 巷道少，系统简单 （2） 对煤层厚度变化适应性强 （3）经济效益好 减少了巷道掘进费、维护费 、分层开采的设备占用 费、材料消耗费 ，工作面安装费和工作面拆迁费，工 资 综采放顶煤与厚煤层分层开采相比 （4）煤损大：比分层开采多10%以上； （5）易发火，易自燃； （6）瓦斯隐患较大，要求管理严格； 瓦斯聚积：顶煤空间聚积瓦斯当顶板垮落、硬 岩 块摩擦。