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1、5 巷道放顶煤开采方案初步设计5.1 大安山矿巷道放顶煤采煤法可行性分析5.1.1 影响顶煤可放性的因素分析（1）煤层强度：受控于煤层硬度和节理裂隙发育程度，它们的共同作用影响着顶煤的可放性。煤层硬度对顶煤可放性有着重要影响。一般在煤的硬度系数f2情况下，利用矿山压力的作用顶煤可以自行碎落；对于23的煤层，一般不宜采用放顶煤开采。一般煤层中不同程度地含有层理、节理、裂隙，这些弱面和结构面在很大程度上削弱了煤层的完整性，降低了煤层的强度，对放顶煤是有利的。煤层节理裂隙发育，放顶煤效果好。煤层节理裂隙不发育，则不利于顶煤的放落。大安山矿通常各煤层的节理裂隙均较发育，有利于巷道放顶煤开采。研究区域各
2、煤层的硬度见表51。由表可知，研究区域急倾斜各煤层硬度指标符合巷道放顶煤开采。51 大安山矿研究区域各煤层硬度情况表煤 层单斜煤层中南煤层后槽煤层2槽13槽14槽14槽14槽硬 度松软中等中等较软中等松软（2）开采深度：从巷道放顶煤开采的实践中发现，在开采深度较大的工作面，放煤开始前放煤巷道就已产生了较大的变形，有时放煤巷道顶板下沉达300mm以上，说明顶煤已在矿山压力的作用下产生了变形；而在开采深度较小的工作面，放煤巷道掘进完成几个月后，支架仍未受力，说明矿山压力对顶煤的影响不大。大安山矿区内最高峰为老龙窝，标高1646.5m，现在开采水平为800m和680m，按地表标高平均为1300m计算
3、，采深为500620m，可以为放顶煤提供一定的矿山压力。（3）煤层厚度：急倾斜煤层巷道放顶煤不同于水平分段放顶煤。对于后者，煤层厚度越大，放顶煤效果越好。但对于前者，要求煤层厚度适宜，如厚度过小，有可能导致直接顶超前破碎，与顶煤一起放出，这样不仅煤质受影响，而且造成顶煤大量丢失；厚度过大，靠近底板的顶煤难以得到充分松动，亦难于放落，因而影响顶煤的回收率。实践表明，适宜巷道放顶煤开采的煤层厚度为210m，当煤层厚度为46m时，技术经济效果最好。大安山矿单斜煤层、中南煤层、后槽煤层为不稳定煤层，厚度变化范围较大，平均厚度为26m，满足巷道放顶煤厚度要求。（4）煤层倾角：煤层倾角对巷道放顶煤开采有重
4、要影响。当倾角较大时，煤体的重力大于其它各力的合力而使煤体垮落，有利于煤体的放出；而且，煤层倾角较大，加大了顶煤滑移的可能性，这也有利于顶煤的下放。但煤层倾角越大，顶板对煤层的压力越小，当倾角为90时，作用在垂直方向的力只有顶煤上方采空区的破碎煤矸的重力，反而导致煤层不易垮落。实践表明，适宜巷道放顶煤开采的煤层倾角为4090,当倾角为6575时，效果最佳。大安山矿单斜煤层、中南煤层、后槽煤层平均倾角为4575，符合巷道放顶煤对煤层倾角的要求。（5）煤层顶、底板条件：煤层顶、底板条件对巷道放顶煤开采顶煤可放性的影响主要是直接顶稳定性和底板稳定性。直接顶破碎，将影响顶煤的回收和增加含矸率；直接顶稳
5、定，悬露面积大，顶煤的可放性好。急倾斜煤层底板稳定性对巷道放顶煤开采的影响主要表现在，当底板不稳定时，由于底板的滑脱，将增加放煤的困难，降低煤质。（6）煤层夹矸：放顶煤生产实践表明，厚度在0.3m以下的夹矸多呈片状和板状冒落，对顶煤的冒落和放出一般影响不大。但若夹矸厚度在0.4m以上时，即使可冒，也多呈大块状体，容易堵塞放煤口。煤层中的夹矸如同板结构中的连结拉筋，起加固煤体强度的作用，使顶煤的压裂和位移变得困难。尤其当夹矸的强度较大时，这种影响更为明显。因此，夹矸的厚度和强度都对顶煤的可放性有影响。（7）水文地质条件：煤层强度受其含水量的影响较大，含水越多，煤层强度越低，煤体越容易破碎，因而可
6、放性越好。5.1.2 大安山矿应用巷道放顶煤采煤法可行性分析通过以上急倾斜煤层巷道放顶煤开采顶煤可放性的影响因素分析，及结合大安山矿单斜煤层、中南煤层、后槽煤层的煤层条件的分析表明，大安山矿急倾斜煤层有利于巷道放顶煤开采，且大安山矿为低瓦斯矿井、煤层无自燃发火倾向、煤尘无爆炸危险，更有利于克服放顶煤“一通三防”压力大的缺点。大安山矿煤的变质程度较高，有的煤层硬度较大，不利于顶煤的冒落。但是大安山矿煤层节理裂隙较发育，预计在人为的扰动或软化措施下，顶煤是可以顺利下放的。且放顶煤采煤法对不稳定煤层的适应性很强，可以提高采区的回收率。总体分析，巷道放顶煤采煤法开采大安山矿急倾斜不稳定厚煤层是可行的。
7、5.2 巷道布置5.2.1 巷道布置系统巷道放顶煤开采的巷道布置系统非常简单，如图5-1所示。在一个采区内沿不同标高将急倾斜煤层分成若干区段，在区段底部沿煤层走向布置一条巷道(放煤巷道)。巷道两端分别与进风斜坡和回风斜坡相联，以沿空护巷方式维护，全负压通风，双安全出口，与长壁工作面一样，实现正规采煤。在整个阶段回采期间阶段回风平巷都要使用，所以阶段回风平巷的上、下部都要留一定高度的保护煤柱。回采巷道系统包括放煤巷道与放煤小眼。放煤巷道沿着煤层顶板布置、放煤小眼布置于放煤巷道的下帮，在放煤巷道的一侧每隔一定距离向煤层中掘放煤小眼，巷道布置方式如图5-2所示。图5-1 急倾斜煤层巷道放顶煤系统示意
8、图1进风巷；2回风巷；3-放煤巷道；4-采空区图5-2 巷道放顶煤采煤法巷道布置示意图1放煤巷道；2放煤小眼；3顶煤；4进风巷；5回风巷巷道放顶煤采煤法的放煤巷道是平行于煤层走向的水平巷道，如果放煤巷道布置为斜巷虽然可以方便煤炭的自溜，节省运输设备。但是，将放煤巷道倾斜布置降低放煤小眼和护顶煤的稳定性，对放煤巷道的稳定性不利；终采阶段回收巷道支架和余煤时，采空区垮落的矸石容易滚入斜巷冲伤作业人员，有安全隐患；倾斜布置放煤巷道时巷道的掘进、材料运输较困难。总体分析，放煤巷道不能倾斜布置。5.2.2 区段高度的确定区段高度是急倾斜煤层巷道放顶煤开采的一个重要参数，其取值的合理性是决定能否实现高产高
9、效的关键因素之一。与近水平煤层综放开采一样，急倾斜厚煤层巷柱式放顶煤也是利用矿山压力破碎顶煤。对急倾斜煤层来说，上覆岩层的自重可以分解为垂直于煤层层面的分力和沿倾斜方向的分力，仅垂直于煤层层面的分力对顶煤产生挤压作用，在顶煤破碎中起一定作用。此外，水平地应力对顶煤的破碎也产生重要影响。以下采用弹塑性理论分析确定巷道放顶煤的区段高度。放煤巷道开掘及初采结束后，巷道周边附近的围岩应力重新分布，形成集中应力并逐渐向深部发展，在集中应力的作用下，顶煤内形成破碎区和塑性区直到煤体内弹性应力区边界，此时边界内的煤体处于应力极限平衡状态。理论和实践证明，处于弹性应力状态的顶煤，一般的松动爆破很难使其垮落，而
10、处于应力极限状态的顶煤，则因煤体边缘的裂隙逐渐向深部发展，容易因外部的干扰如松动爆破，破坏其平衡状态而导致顶煤的破碎。因此，在急倾斜煤层中进行放顶煤时，阶段高度首先应能保证顶煤在矿山压力的作用下进入应力极限平衡状态。根据巷道放顶煤开采巷道布置方式，顶煤同时受到两处支承压力的作用，形成两个应力极限平衡区（图5-3）。图中k和k为应力集中系数, 为上覆岩层平均容重（t/m3），H为采深(m)，为煤层倾角()，M为平均煤厚(m)，X1为放煤平巷的开掘引起的应力极限平衡区的高度(m)，X2为上区段回采引起的应力极限平衡区的高度。从图53可知，当上述两个应力极限平衡区距离较远时，中间仍有一段煤体处于原岩
11、应力状态，顶煤是稳定的。钱鸣高院士和侯朝炯教授认为，当两个应力极限平衡区的应力峰值相距小于2Mcos，则整个煤体将处于极限平衡状态，如图54所示。因此，顶煤处于应力极限平衡状态的最大高度为： （51）也就是说，当顶煤的阶段高度低于H时，则整个煤体将在矿山压力的作用下处于不稳定状态，即顶煤是可放的。H即为顶煤的最大阶段高度。X1、X2即位于卸载区和支承压力峰值位置之间的塑性强化区宽度为cos(1520)m。图5-3 应力极限平衡区示意图通过计算，单斜13槽巷道放顶煤开采最大区段高度为18m，单斜2槽巷道放顶煤开采最大区段高度为18.2m，中南14槽巷道放顶煤开采最大区段高度为14.6m，后槽14
12、槽巷道放顶煤开采最大区段高度为19.8m。建议巷道放顶煤井下工业性试验时区段高度取1015m，试采成功后可逐步将区段高度加大到2030m，最大不超过30m。图5-4 应力极限平衡状态顶煤的应力分布5.2.3 放煤小眼的布置为较好地解决布置在煤层中的放煤巷道支架的稳定性，确保放煤生产的正常进行，设计放煤小眼，使放煤作业控制在一定范围内，关键在于让巷道处于一定范围的实体煤中，或至少要求巷道上方一定范围的煤体是不运动的，为此，在一定厚度的煤体中设计一放煤小眼，既保护放煤巷道的正常生产，又使放煤作业控制在一定范围内，放煤小眼的布置如图55所示。放煤小眼参数主要包括：放煤小眼的位置、尺寸、间距，放煤口的
13、位置、开启方式等。图55 放煤巷道与放煤小眼的关系1-冒落松散顶煤；2-松散煤体移动边界线；3-实体煤；4-支架拉杆；5-放煤巷道；6-放煤小眼；-松散煤体自然安息角，一般为45（为煤体内摩擦角）（1）放煤小眼放煤小眼位置参数(开口位置、小眼倾角、小眼长度以及放煤小眼的间距等)随煤层厚度的变化而变化，根据其它矿区工业试验的结果分析，开在煤层中低位放煤小眼的最小倾角主要由煤层的厚度变化而确定。放煤小眼的尺寸，根据顶煤最大块度、煤的松软程度、脊背煤损等综合确定。放煤小眼的长度，以保持支架上部最薄处不小于500mm煤垫层为准。其倾角应尽量小，但不得小于煤的自然安息角。21855M (M2.6m 30
14、75) （52）式中：为放煤小眼低位放煤的最小倾角，用搪瓷溜槽自溜3035，沿底板自溜45；M为煤层厚度，m。实行低位放煤的煤层最小厚度M为：M（a0.5）sin （53）式中：a-放煤架支架的顶梁长度，m；0.5放煤巷道支架顶梁上部的安全煤厚，m；煤层倾角。煤层中的放煤小眼位置参数与煤层厚度的关系见表52。表52 煤层中的放煤小眼位置参数与煤层厚度的关系煤层厚度（m）2.62.62.72.782.872.963.053.153.243.323.42小眼最小倾角（）85.9075706560555045403530小眼开口位置高位低 位小眼长度（m）0.51.31.5（2）放煤小眼的间距当放煤
15、小眼间距较小时，整个松散煤体均衡下移，煤矸接触面成近似水平状态，减少了两眼之间的脊背煤损（图56），因而顶煤回采率高，矸石混入率低。但是，间距太小降低了放煤巷道的稳定性。通过查阅文献资料和参考其他矿区的放煤实践，建议放煤小眼间距取1.8m或2.4m两种，煤层厚度小于4m取1.8m，煤层厚度大于4m取2.4m。图56 放煤间距与脊背煤损示意图（3）放煤口的参数放煤口分高位、中位、低位三种。高位放煤口回采率低，低位放煤口回采率高。高位放煤口由于其位置较高，因而操作困难。又由于支架上部冒落的松散煤体的运动影响，支架处于不稳定状态，维护条件差，尤其是一旦将放煤口放空，由于煤流的冲击，威胁巷道的安全；同时高位放煤粉尘浓度大，工作环境差。总体分析，建议放煤小眼采用低位放煤口。考虑到工程实际中运输机设于巷道
