放頂煤開采技術

張 毅

山西省晉中市陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司，山西 晉中 035400

我國厚煤層儲量占到我國煤炭儲量的44%左右。我國從20世紀60年代開始研究、試驗厚煤層放頂煤開采技術。目前，厚煤層放頂煤開采技術已經成熟，在我國得到了迅速發展和推廣應用。我國放頂煤開采技術已處于世界領先水平。

1 放頂煤采煤概述

1.1 放頂煤采煤法基本類型

放頂煤采煤法就是在厚煤層中，沿煤層（或分段）底部布置一個采高2m～3m的長壁工作面，用綜合機械化采煤工藝進行回采，利用礦山壓力的作用或輔以人工松動方法使支架上方的頂煤破碎成散體后由支架后方（或上方）放出，并予以回收的一種采煤方法。 放頂煤采煤法基本類型包括：1）一次采全厚放頂煤開采：一般適用于厚度6m～12m的煤層。其優點為掘進量小，設備少，系統簡單，生產集中；缺點為煤質軟時，兩巷維護困難；2）預采頂分層網下放頂煤開采：其優點為由于頂層鋪設金屬網，可以減少放煤的含矸量；缺點為開采頂分層后一般礦山壓力減弱，不利于頂煤的破碎，常有大塊煤需要人工預裂。一般適用于12m以上、直接頂堅硬、瓦斯大的煤層；3）傾斜分層放頂煤開采：當煤層超過15m～20m以上時，可將煤層自頂板至底板分成8m～12m的分段，然后自上而下依次進行放頂煤開采。一般適用于15m以上的緩斜煤層[1]。

1.2 頂煤放出規律

1）橢球體放礦理論

橢球體放礦理論認為：礦石在采場破碎后，原來所占的空間形狀為一個旋轉橢球體，是按近似橢球體形狀向下自然流動下來的，放煤橢球體表面上的顆粒將大體同時到達放煤口。

2）松動橢球體

松動橢球體理論認為：放煤時，放出橢球體周圍的煤巖也將向放煤口移動，充填放煤留下的空間，此空間體與放出橢球體相似，稱松動橢球體。 松動橢球體參數：松動橢球體高度為H，H=（2.2～2.6）h。

3）放出橢球體參數

h-放頂煤高度，短軸為2b1，設長軸2a=h。 生產實踐及實驗表明：

2b1=（0.25～0.3）h

b1=（0.25～0.3）h/2

（4）放煤口間距 放煤口間距1大小影響放煤效果；當1＞2b1（a）時，脊背煤損失大；1越大，損失越大；當1＜2b1時，脊煤損失小，煤矸石混雜；支架選取后，1是確定的，要求合理放煤工藝，減少煤損，不增加混矸。

2 放頂煤工作面礦壓顯現特點及頂煤破碎機理

2.1 巖層活動及礦壓顯現特點

放頂煤開采時，由于煤層一次采出厚度的增大，直接頂的垮落高度成倍增加，可達煤層采出厚度的2.0～2.5倍，其中1.0～1.2倍范圍內的直接頂為不規則垮落帶，而在上位直接頂中則形成某各臨時性“小結構”，其活動可對采場造成明顯影響。綜放采場上方仍可形成穩定的“砌體梁”式基本頂結構，上位直接頂中可形式“半拱”式小結構，并與其上的“砌體梁”結構相結合，共同構成綜放開采覆巖結構的基本形式。由于松軟頂煤的參與，綜放支架阻力通常不大于分開采的支架阻力。綜放基本頂初次來壓與分層開采相比步距增大，一般可達50m以上；周期來壓步距相對減少，約為其初次來壓步距的三分之一。

2.2 頂煤破碎機理

綜放開采時，實現頂煤的有效破碎和順利放出是放頂煤工作的核心問題，而頂煤的有效破碎又是頂煤順利放出的前提，同時也是支架選型不確定放頂煤工藝的依據[2]。煤的普氏系數越小，有利于頂煤的放出；相反，f值越大，放煤效果越不理想。一般認為，煤的普氏系數f〈3的煤層更適合放頂煤開采。頂煤的破碎是支承壓力。頂板運動及支架反復支撐共同作用的結果。支架對頂煤反復支撐的次數N與頂梁的長度L及采煤機截深B有關，可表示為：N=。根據頂煤的變形和破壞發展規律，沿工作面推進方向前將煤劃分為四個破壞區，依次為：完整區、破壞發展區、裂隙發育區、垮落破碎區。

3 放頂煤適用條件

煤層厚度以5m～12m為最好，過大破壞不充分，過小易超前冒頂；煤質中硬，f＜2最好，煤質松軟，層理節理發育，f=3.1～3.9，層理節理發育亦可；煤層傾角不宜太大，太大影響支架的穩定性，緩傾斜煤層中一般煤層傾角小于15°，25°～30°煤層中也試驗成功；頂煤中的夾矸總厚度不宜大于頂煤厚度的10%～15%，過厚過硬的夾矸影響頂煤放落，單層夾矸厚大于0.5m或f＞3要采取措施；頂板巖性最理想的條件是基本頂I、II級，直接頂有一定厚度，采空區不懸頂，冒落后松散體基本充滿采空區；斷層切割塊段，地質構造復雜，煤層厚度變化大，階段煤柱等無法應用分層長壁采煤法時，可放頂煤。

4 放頂煤采煤工藝

4.1 放頂煤綜采主要工藝過程

放頂煤綜采主要工藝過程為：采煤機割煤（破煤和裝煤）→（移架）維護端面穩定用前探梁及時支護，后移架→推移前部輸送機（推移時保證輸送機彎曲長度大于15m）→移后輸送機（把后輸送機移到規定位置）→放頂煤（打開放煤口放頂煤）。

目前主要采取從工作面向頂煤打眼放炮的方法。若由工作面無法破碎頂煤或在高瓦斯礦井中，則應考慮布置工藝巷進行專門的爆破作業。另外，一些礦井采用高壓注水軟化頂煤，也取得良好的效果。

4.2 初采和末采放煤工藝

1）初采

多數工作面從開切眼處放煤，推出開切眼后即做到了及時放煤。根據采煤工作面頂板的結構和頂煤的性質，為減小初次放頂煤步距，提高初采回收率，常采用深孔爆破技術和切頂巷技術。目前在大多數綜放工作面，推出開切眼后及時放煤，根據采煤工作面頂板的結構和頂煤的性質，為減小初次放頂煤步距，提高初采回收率，常采用深孔爆破技術和切頂巷技術。

2）末采

一般可提前10m左右停止放頂煤并鋪頂網，但應注意解決好兩個問題：一是選擇合理的停采線位置，使撤架空間處于穩定的頂板條件之下；二是有效地防止后方矸石竄入工作面，即矸石應能夠壓住金屬網。如不鋪網，應在綜放設備允許的坡度范圍內加大爬坡度，減少放煤量，在到停采線時，使支架基本貼近頂板，將易燃的碎煤變為底板上的實體煤。

4.3 放煤步距

放煤步距：是指沿工作面推進方向前后兩次放煤的間距。放煤過程中不能保證既不混矸又不丟煤，只是控制采出率和混矸率在一定范圍內。 放煤步距L=n×移架步距B，經驗 ：L=（0.15～0.21）h。

4.4 放煤方式

放煤可分為連續放煤和不連續放煤兩種，其中低位放頂煤支架為連續放煤，中、高位放頂煤支架為不連續放煤。放煤方式按放煤輪次不同，可分為單輪放煤和多輪放煤。單輪放煤：打開放煤口，一次將能放出的頂煤全部放完；多輪放煤：每架支架的放煤口需打開若干次才能將頂煤放完的稱。放煤方式按放煤順序不同，可分為順序放煤和間隔放煤。順序放煤是指按支架排列順序（1、2、3、…）依次打開放煤口的方式；間隔放煤是指按支架排列順序每隔1架或幾架（如1、3、5、…或1、4、7、…）依次打開放煤口。無論是順序放煤還是間隔放煤都可以采用單輪或多輪放煤。

4.5 端頭放煤

隨著工作面輸送機和支架的不斷改進，使端頭設備布置也不斷更新。目前解決端頭放煤的途徑主要有以下3種：加大巷道斷面尺寸，機頭機尾置于巷道中，取消過渡支架；使用短機頭和短機尾工作面輸送機或側卸式工作面輸送機；采用帶有高位放煤口的端頭支架，實現端頭及兩巷放頂煤。

[1]魯建成.綜采放頂煤采煤法[J].煤炭技術，2008(10)：61-63.

[2]張居仁，魏國山，陳海江.淺談綜采放頂煤工作面回采工藝及提高回采率的措施[J].中小企業管理與科技(上旬刊)，2010(7)：206-207.