關于綜采放頂煤安全開采間題的認識

中 國 科 學 院 院 士 宋振騏
山東省煤管局總工程師 陳立良
山東礦業學院礦壓研究所 王春秋 劉先貴

[摘要]綜采放項煤是我國煤礦厚煤層開采技術的一項重大突破，可以實現高產高效的目標，已被人們所共識。本文在總結綜采放頂煤實踐成果的基礎上，結合我國實用礦山壓力理論的有關研究成果，對綜采放項煤工作面的采場結構力學模型的建立、煤炭回收率、災害防治等問題進行了探討，明確指出深化放頂煤開采的頂板活動和礦山壓力的研究，為放頂煤開采的應用條件選擇、合理巷道布置和開采程序設計以及巷道和工作面支架選型等提供理論和實踐基礎，是當前發展的關鍵。
[關鍵詞]放項煤綜采•采場結構模型•內應力場•資源回收率
進入七十年代，特別是最近兩年來，我國潞安、兗州等現代化礦務局放頂煤綜采工作面發展迅速，效益突出。放頂煤開采將成為我國煤礦厚煤層開采技術發展的重要(甚至是全局性)方向的認識，已經逐漸被人們接受，厚煤層放頂煤開采技術發展的高潮已經到來，為了防止一轟而上，克服盲目性，盡可能減少偏頗和失誤，加強放頂煤有關開采技術(特別是放頂煤巖層活動和礦山壓力規律)的深入研究，為放頂煤開采合理條件選擇、合理巷道布置和開采程序設計、巷道支護和維護方式選擇、工作面回采工藝裝備特別是支架選型和阻抗力等參數設計等提供理論基礎已成為刻不容緩的任務。
1放頂煤綜采的實踐成果及發展關鍵
潞安礦務局王莊礦1989年應用綜放技術，目前采用雙運輸機、收尾梁支架低位放頂煤的工藝.平均月產超過20萬t，平均日產超過7000t，曾達到月產30萬t、日產15186t的高產水平，回采工效達到104t/工，工作面效率高達145t/工，實現了高產穩產的目標。
兗州礦務局自1989年由山東礦業學院礦壓研究所根據煤層賦存條件提出可放性論證報告后，局礦組成了綜放領導小組和工作組，在全國調研的基礎上從1992年6月開始實踐。目前，興隆莊、鮑店、南屯、東灘都有綜放工作面生產，并均達到了高產高效之目的。1993年全局綜放工作面平均月產超過18萬t，最高月產達240850t，平均日產都在7000t以上，直接噸煤成本下降13元，其下降幅度超過50％，回采工效提高一倍以上.有關高產高效綜放面的技術經濟指標如表1所示。兗州局綜放實踐在實現了高產高效目標的同時，還在擴大綜放條件和解決相應技術難題方面取得了下列突破性進展:

①已采頂分層網下綜放取得成功。
在網下綜放工作面巖層活動和支承壓力分布特征及規律、支架圍巖關系以及解決硬煤破碎等研究方面取得了重要的進展。
鮑店礦1303網下綜放工作面達到了穩產的目標.月產超過了19萬t.回收率超過了80％，成本比分層綜采下降5 0％.回采工效達70t/工.頂板運動狀況如圖1所示。網下綜放成功.提高了工作面回收率，為不出現內應力場(煤壁不能超前破壞)的煤層.厚度超過10m以上的特厚煤層以及直接頂不能隨移架及時冒落的煤層進行綜放。并實現高產、高效、高回收率的目標開辟了廣闊的前景。

②“孤島”煤綜放實現了安全、高產、高效的既定目標。
南屯礦“孤島”工作面綜放平均日產超過7000t的實踐證明，完全可以采用跳采程序安排采掘關系、實現在穩定的內應力場中送道解決回采工作面接續和巷道穩定問題，達到進一步提高采區回收率的目的。南屯礦“孤島”煤放頂煤工作面的結構狀態如圖2所示。

總之.經過數十個局礦綜放面開采實踐。可得到下列一些共識:
①采用綜采放頂煤技術開采厚煤層.是當前國內設備條件下實現高產高效的一個重要發展方向;
②采用綜放開采技術，減少了生產環節及輔助設備和較大幅度降低巷道掘進和維護工作量.減少了工作面個數.實現了煤礦井下的集中生產和安全生產;
③在弄清綜放而頂板活動規律和礦壓顯現規律的基礎上，通過采用正確的開采程序和回采工藝、優化開采設計等措施，是可以保證達到符合要求的回收率這一目標的;
④現有的安全技術措施對于防治瓦斯、降低煤塵以及抑制發火是有效的，安全能夠保證;
⑤相對分層綜采而言，綜放工作面對于煤層的厚度和傾角變化以及通過斷層等構造有更大的適應能力，因此比分層綜采更容易實現穩產的目的。在一定程度上可以說，放頂煤為厚度、傾角變化復雜的煤層開采機械化創造了前景。
當前推廣綜放工作必須回答的兩個關鍵問題:一個是保證安全開采的條件問題;一個是實現高產高效并保證較高回收率的條件問題。
研究和實踐證明，綜放工作面安全高產以及保證較高回收率是有條件的.包括相應的煤層和頂底板條件、相應的開采程度和巷道布置，相應巷道和回采工作面支護(包括支護方式、支架形式和阻抗力等)以及放煤工藝等。目前我國有的綜放工作面，在沒有搞清采場支承壓力分布的情況下，錯誤的采用了煤柱護巷方案，造成了產量低、推進速度緩慢、巷道維護極端困難的惡性循環。有的工作面因為頂煤放不下來，被迫采用危險的架后爆破措施等情況。這都是因為對綜放條件缺乏認識，盲目從事的結果。
要正確回答保證高效益綜放條件問題，離開了具體煤層條件下，煤及巖層運動和礦山壓力分布顯現規律的研究，以及通過正確的開采決策進行控制可能性的研究，用“煤層硬”、“頂板堅硬”這些相互孤立的要素進行概括是不行的。同樣，實現安全開采.即不出現沖擊地壓、瓦斯煤層突出等重大事故的條件，也不能簡單的從“采高大，因此壓力大、危險大”等想象出發。只有在對放頂煤開采煤層及頂板活動規律和礦山壓力分布顯現特征。及通過正確的開采設計決策進行控制的可能性進行客觀分析之后，才能作出正確的結論。
2放頂煤綜采條件研究的采場結構模型
如前所述，什么條件適合“綜放”，并保證安全和達到高產高效的目標，不能用煤層硬度、開采深度及頂板等條件簡單的回答。必須抓住在該開采條件下，巖層運動和礦山壓力顯現特點及控制的可能性這個實質和關鍵.因此，建立符合客觀實際的綜放采場結構力學模型，是正確進行“綜放”條件研究的基礎。
提供回采工作面和巷道礦山壓力控制等開采設計決策及進行開采條件分析的完整采場結構模型所包含的內容如下:
①需控制的巖層結構組成及相應的結構參數(包括結構厚度及跨度等);
②結構邊界及相應的支承條件;
③支承反力的大小和分布。
正常開采情況下，煤壁的支承壓力作用下超前破壞的采場結構模型如圖3所示。
結構模型中需要控制的巖層范圍，一般由采空區已垮落的巖層組成的“直接頂”(圖3中a所示)和運動明顯影響采場礦壓顯現的“傳遞巖梁”所組成的“老頂”(圖3中b所示)等兩部分組成。

直接頂的厚度mi可由下式求出:

式中h為采高(工作面一次采出的煤層厚度),SA及KA分別為巖梁觸矸點的沉降值和該處己冒巖層的碎脹系數。
當老頂下位巖梁周期來壓步距C1和來壓完成時控頂距Lk處的頂板下沉量△hA已知時，可以按下式近似算出SA值代入式(1),推斷m2值。

對于未開始推進的工作面，當已知上覆各巖層分層厚度(依煤層柱狀或石門剖面圖)，可按巖層失穩冒落的條件，由下向上逐層推出既采高h條件下的垮落巖層(即直接頂)總厚度mi值:


如各分層采高相同(hm=h)，則當假頂完全壓實，即Kc≈1時，mnm=mc1,冒高值與開采頂分層時相同;但當假頂未壓縮，即kc = kA時，mnm = nmc1，第n分層的冒高是第一分層冒高值的n倍。可見開采下分層時，假頂的壓實情況對冒高值大小有重大影響。
實踐證明，對于一般巖層覆蓋的采場，老頂總厚度大約為采高的4-6倍，老頂所包含的“傳遞巖梁”數目，一般不超過3個。組成老頂各“傳遞巖梁”的巖梁厚度為同時運動巖層的厚度之和。上下兩巖層同時運動的條件可由下式表示:

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