综采放顶煤开采技术研究与实践

王祥

【摘 要】本文笔者结合多年从事工作经验与实践，对综采放顶煤工艺及相应的配套设备，给出了急倾斜厚煤层和缓倾斜厚煤层中的巷道布置方式、采高及采区走向长度的计算方法，根据放顶煤采煤法易于自燃的实际情况提出防止自燃发火的措施。

【关键词】综采放顶煤；开采；安全措施

放顶煤采煤法基本特点和类型，就是在厚煤层中，沿煤层（或分段）底部布置一个采高2～3m的长壁工作面，用综合机械化采煤工艺进行回采，利用矿山压力的作用或辅以人工松动方法使支架上方的顶煤破碎成散体后由支架方（或上方）放出，并予回收的一种采煤方法。该方法始于20世纪40年代，我国从20世纪80年代初开始研制厚煤层放顶煤的综采设备，由于这种采煤法具有掘进率低、适应性强、易于实现高产等特点，该技术在我国得到了迅速发展，现如今我国是世界上采用放顶煤采煤法最多的国家之一，在放顶煤综采设备的制造、回采工艺、提高煤的回收率和降低含矸率、以及防止自燃发火措施等方面都积累了较丰富的经验。

1.顶煤放出规律

根据放矿理论，矿石从采场内是按近似椭圆球体形状留出来的，即原来所占的空间为一个旋转椭球体，如图1所示。在放矿过程中形成的椭球体称为放出椭球体1，停止扩展而最终形成的椭球体称为松动椭球体3，放矿后形成放出漏斗2和移动漏斗4。如果放顶煤高度为 ，则放出椭球体1长轴为 ，近似于 ，短轴为2b1。高度为 的水平煤岩分界面将下降为一漏斗面2，由于下降时煤岩的滚动，漏斗面实际上是由一定厚度的混矸层组成，最大直径近似于4b1。生产实践表明，放出椭球体短轴与长轴的关系式如下：

b1=（0.25～0.3）h/21

1—放矿椭球体2—放出漏斗3—松动椭球体4—移出漏斗

图1 放矿椭球体概念示意图

从放矿理论上讲，放出椭球体表面上的颗粒将大体上同时到达放煤口。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，且与放出椭球体相似，为一松动椭球体，其高度H为：

H=（2.2～2.6）h

由于工作面支架上的放顶煤口互相临近，放煤时放煤口间距l直接影响放煤效果。当l>2b1时，当第二个放煤口放煤时，不会因已放过第一放煤口而发生混矸现象，但放煤口之间有脊背煤损， 越大，脊背煤损越大；当l<2b1时，如放煤高度仍为h，必将有一部分矸石混入放出的煤中，但脊背煤损明显降低。因此，在一定放煤高度条件下，合理确定放煤口间距是十分重要的。

值得注意的是顶板冒落的性能，当直接顶较稳定不随放顶煤而运动时，放出体的顶部将出现缺球现象。但若直接顶在顶煤放空后冒落时，将给支架带来冲击载荷，因而直接顶的稳定性是重要的。

2.放顶煤采煤工艺及综采设备

2.1采煤工艺简述

采煤机割煤分段进行，一般每15m为一段，先割上刀，然后移架放顶煤，再割下刀继续放顶煤，移前部输送机，一直把顶煤放完。再进行第二阶段的割煤和放顶煤工作，直到采完全部工作面为止。顶煤较硬，可以上下刀一齐割煤，然后再移架放顶煤，推移输送机并继续放顶煤，直到放完为止，再采下段煤。放顶煤过程一般分两个阶段，第一阶段是通过移架使顶煤垮落、破碎，不破碎的可以打眼放炮，但费工费时。一般要求顶煤强度不大，普氏系数不大于1，这样才能保证移架后，顶煤垮落自动破碎。第二阶段是放煤，即把已破碎顶煤最大限度的回收出来。

2.2液压支架

从放顶煤方式看主要有两种：一种是底开门插板式，如FY280-14/28型；掩护梁开窗式，如FYS300-19/28型。从放顶煤效果看底开门插板式较好，因为它降低了放煤高度，底煤回收率比开天窗式的高，同时后面掩护梁可上下摆动能增加放顶煤效果，也可压碎大块煤，使放煤窗口不易被堵。

从工作面输送看，有单输送机和双输送机两种。单输送机液压支架虽然节省了一台输送机，同时放煤速度快，但主要缺点是，放煤时煤块四溅，煤尘大，工作面被阻断，很不安全；由于顶煤窗口高，顶煤回收率低；结构复杂，造价高。这种支架在缓倾斜厚煤层中使用缺点较大，然而在厚煤层倾斜工作面俯斜推进时，由于用两台刮板输送机比较困难，这种支架还是有一定价值的。

2.3采煤机和刮板输送机

在缓倾斜长壁工作面，放顶煤用的刮板输送机和采煤机与普通综采工作面所用相似。底层煤采高一般在2.5～2.8m，而且采比较松软的煤层（f=1.5 ）常用的MLS3-170型和MLS3P-170型采煤机及其配套的SGW-250Ⅱ型和SGD-630/180PB型刮板式送机都能适用。

在急倾斜厚煤层中用水平分层放顶煤采煤法时，因工作面长度短，用7m长机身的采煤机，需要斜切进刀，这是很困难的。采用MS950-400型短壁采煤机及配套的2×18/400型刮板输送机。这种采煤机只有3m，功率小、重量轻、结构紧凑，能自开缺口，操作维修也较方便。

3.放顶煤采煤的巷道布置

3.1缓倾斜特厚煤层巷道布置

在底板开掘岩石集中巷，一方面可以集中运输，另一方面可作为灌浆巷。如果煤层自燃发火不严重，煤质较硬，可把区段平巷布置在靠底板的煤层内。

3.2急倾斜水平分层放顶煤巷道布置

在急倾斜水平分层采煤中采用放顶煤，首先将原煤层分成若干分段，根据放顶煤经验，分段高度为6～15m，除在每分段底部煤层中布置分层回风巷和封层运输巷外，如果煤自燃发火严重，在每段煤层底板岩石中布置分层灌浆巷，以便回采后及时通过钻孔向采空区灌浆。为了运送综采设备，在底板岩石中开掘一条伪倾斜轨道上山，通往各分段巷道。

急倾斜特厚煤层放顶煤采煤，各分段高度 ，以顶煤能全部垮落为依据。这样：

hh

式中：h—煤层高度，m，一般为2.8；

ks—煤的一次松散系数，其值为1.15～1.3。

h=h

当厚煤层h大于12～15m时， 最大取3m，h1太高，煤层容易片帮，煤坚硬时h1可取大点。H大于20m时，就要采用分层开采。

对自燃发火煤层，放顶煤采煤法对于缓倾斜特厚煤层，厚度h自然生成，这时可用上式反过来求底分层采高h1，则：

的采区走向长度L，主要根据自燃发火期决定，就是通过采取措施后，在煤层仍能自燃发火的期限内把整个区段采完。对急倾斜特厚煤层，采区走向长度L为：

L=≤

式中： A月—工作面月产量，t；

T火—煤的自燃发火期，月；

α—煤层倾角，（°）；

m—煤层厚度，m；

h—分段高度，m；

γ—煤的容重，t/m3；

c—分段回采率，一般为0.8。

对缓倾斜煤层，采区走向长度为：

L≤

式中：l—工作面长度，m。

4.放顶煤开采的安全措施

放顶煤采煤法虽然有明显的经济效益，但由于放顶煤是利用矿山压力破煤造成了大量的破碎煤体存在，因此，可以说放顶煤开采的主要安全问题是煤层的自燃发火。我国特厚煤层一般都具有自燃发火的危险，所以在推广放顶煤开采时亦应着重研究自燃发火灾害的防治措施。根据以往的经验，防止地下自燃发火要从地面、井下以及工作面等方面开展工作，并要以预防为主。

4.1地面防灭火措施

一是用黄土、矸石等回填塌陷区，断绝地下采空区与地面地空气联系，使采空区不漏风，达到灭火的目的；二是打钻孔向采空区进行黄泥灌浆或灌入CO2气体，达到灭火和防止自燃发火的目的。

4.2回采中的防灭火措施

一是向采空区灌浆，主要是灌黄泥浆；二是向支架后面采空区喷洒阻化剂，目前使用较多的是MgCl2及CaCl2，取得了较好的效果；三是在工作面前方巷道中，向煤层打眼，用泵向煤层注水或注阻化剂溶液；四是均压灭火，调整风流负压，防止向采空区漏风。

4.3采后灭火措施

主要是采后密闭采空区，并向采空区灌黄泥浆或阻化剂溶液。

4.4预报措施

安装束管监测系统，收集CO含量、温度和其他有关参数，以便在地面集中监测并预报井下自燃发火情况；同时派专人定期巡回检查各可能发火点，遇见发火情况立即处理。

4.5直接灭火措施

预先制定避灾路线并在井下储备足够的灭火器材，配备齐全消防管路并确保足够水源，井下出现火灾时，要及时撤出人员，并立即组织灭火和抢救伤员。

5.结论

放顶煤技术易于实现高产的优点，使得该技术在厚煤层开采中被大量采用。文中基于放矿理论及大量生产实践，得出如下结论：

（1）在一定放煤高度条件下，合理确定放煤口间距是十分重要的。

（2）直接顶的稳定性对顶煤放出率及安全影响较大。

（3）综采设备的配套选择及巷道的布置，应依据煤层厚度及煤层倾角等因素选择。

（4）放顶煤技术自身的特点决定了防止煤层自燃发火是放顶煤采煤法安全工作的重点。

【参考文献】

[1]徐永圻.煤矿开采学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009：124-125.

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[3]张坤.急倾斜厚煤层综放工作面顶煤放出的可控性研究[D].西安：西安科技大学，2010.