中硬煤层放顶煤时的顶煤运动与放煤步距分析

2006年第5期中州煤炭总第143期中硬煤层放顶煤时的顶煤运动与放煤步距分析职强军(三门峡市煤炭管理局,河南三门峡472000)摘要:中硬煤层放顶煤开采时的顶煤运动规律是水平位移与垂直位移的一个复合运动。对中硬煤层(硬度系数2-3)放顶煤开采时顶部煤层的运动形态进行了分析,提出了确定中硬煤层放煤步距的基本思路。关键词:中硬煤层;综采放顶煤;顶煤位移;放煤步距中圉分类号:TD325文献标识码:B文章编号:1003 - 0506(2006)05 -0020 -02综采放顶煤工作面具有生产能力大效率高、设时矿山压力作用下同时进行的,因此,顶煤运动的结备投资少等优越性,已在全国许多矿得到广泛应用。果是煤体向二者的合成方向做复合整体移动。根据实践证明,对放顶煤过程及其生产工艺主要参数的实测, 顶煤移动-般在距煤壁前方3~ 10 m处开始，研究,是指导其生产实践的理论基础。对这些基础直至采空区侧。理论的认识,有利于提高放顶煤采出率及增加设备在中硬煤层综采放顶煤工作面,顶煤前方的一的利用率。因此,从理论上研究综采放顶煤过程及侧是原生煤体,后方一侧是冒落区的自由面。顶煤其主要参数对回采的影响,对于完善和发展综采放在矿山压力的作用下,由于前、后方约束力不同将失顶煤技术有着十分重要的意义。去平衡,顶煤将向采空区的自由面方向做水平位移，而水平位移又使顶煤中大量的原生裂隙面连贯起1顶煤运动状态分析来,出现大体平行于煤壁的垂直裂隙。垂直位移主1.1 顶煤的移动要是由顶煤自重引起的,越靠采空区侧,垂直位移越在中硬煤层条件下进行综采放顶煤开采时,顶大。由于垂直位移的作用,使顶煤产生离层。为了煤在上覆岩层作用下以原生裂隙面开始产生分块沉研究方便,将图1中中硬煤层顶煤运动形态简化成降效应,从而引起顶煤的移动。根据现场观测及有如图2所示。在图2中,中硬状态的顶煤基本处于关资料分析,中硬煤层顶煤沉降效应带来的顶煤移完整块状形态。随着工作面的开采,顶煤在矿山压动状态如图1所示。由图1可以看出,顶煤从工作力的作用下沿AB线向采空区侧滑移,位于AB线左面前方一定距离开始至采空区侧的运动状态发生了侧的顶煤在煤壁及顶板的约束下，虽受到一些采动变化,即顶煤朝着采空区方向做水平运动和垂直影响,但能保持顶煤的整体延续性。而AB线右侧方向做下沉运动。水平运动和下沉运动是在开采的煤体位于工作面煤壁及放顶支架之上,支架受压而产生收缩,煤体移动沿原生裂隙面切割成不连续体。就顶煤内部压缩应力值来说,AB线左侧接近最mt大应力值,而右侧趋近于零。这就是说,由于应力差值变化很大,AB线实际为受压煤体的压缩边界线。im tmF中国煤化工图1顶煤移动状态示意MHCNMH(收稿日期: 2006-07 -19作者简介:职强军(1956-),男,河南温县人,工程师,1981年毕业圄2中硬煤层顶煤 的运动简化图于焦作矿业学院，长期从事煤炭生产管理及科研工作。2006年第5期职强军:中硬煤层放顶煤时的顶煤运动与放煤步距分析总第143期整个顶煤以AB线为分界线分为2个部分。AB滑移体,而二次松动过程则是顶煤从放煤口放出周围所线右侧即工作面煤壁放顶煤支架上的煤体之所以有发生的松动,即顶煤先形成放煤椭球体,随着顶煤的向采空区方向水平运动和垂直方向下沉运动的趋放出又形成松动椭球体,松动椭球体范围内的煤岩势,最主要原因是顶煤在AB滑移线产生剪切载荷。随着放煤的进行将发生移动,形成放煤漏斗。.当滑移角与顶煤垮落角相同时,支架上方的顶煤重松散煤体经放煤口放出后,松散体内瞬时形成力将分成2个力,即:一椭球体,内层椭球体表面颗粒冒落后,外围椭球体F = Qsina(1)表面颗粒立即充填形成新的松动空间，即放煤椭球N = Qcosa体,如图3所示。其中,Q为滑移线右侧顶煤的重力;a为顶煤垮落角;F为剪切力;N为侧压力。松动椭球体在式(1)、式(2)中,当工作面地质条件确定时，放煤椭球体中硬煤层的垮落角a一般为定值,所以剪切力F及脊背损失侧压力N主要与顶煤所受重力有关。如果顶煤破放煤门裂面凹凸不平的咬合及剩余的微弱结组合为残氽抗剪力用[τ]表示,则当顶煤残余抗剪力[r]大于剪切力F时,顶煤状况表现为趋于完整,此时不利于放圄3放煤步距煤;当残余抗剪力[r]小于剪切力F时,顶煤状况表现为偏移错位,即向采空区水平运动和垂直方向下2放煤步 距的确定沉运动,此时顶煤出现沟裂状况,利于放煤。1.2顶煤的破碎影响中硬煤层顶煤采出率的因素较多,除采矿在综采放顶煤工作面向前推进时,顶煤的整体地质条件、煤层赋存状态、支架类型外,放煤步距也性发生一系列变化。首先沿原生裂隙面微裂发展,十分重要。放煤步距与中硬煤层松散冒落过程有然后形成大的裂隙。在矿山压力作用下,中硬煤层关,在确定放煤步距时,必须考虑支架的结构、放煤内部的剪力或拉应力超过其中硬的强度极限而逐渐口位置和顶煤冒落角及松散体的活动规律(图3)。破裂,形成不规则的破碎体被放出。理论及生产实践证明,合理的放煤步距应大于2倍实验室的模拟实验证明,在综放工作面,由于煤的放煤椭球体短轴半径(b,),并小于2倍的松动椭层的采出,煤壁前方将产生应力集中,形成支承压.球体短轴半径(b2)。过大或过小都不利于放顶煤。力。在中硬煤层条件下,应力集中系数K值为2~放煤步距大,混矸少,但两放煤口间脊背损失大,采3,而水平应力集中相对较小，因此,产生的剪应力使出率低;放煤步距过小，两放煤口间脊背损失少,但顶煤强度降低。混矸多,影响煤质。在支承压力的作用下,顶煤中形成了大量的裂放煤步距一般与移架步距相同或成整数倍关隙,这些裂隙随着工作面的推进逐渐发育。由于裂系。对于截深为0.6m的工作面,一刀一放,两刀一隙发育,煤体内摩擦力降低,约束被解除,顶煤发生放或三刀一放的放煤步距分别是0.6,1.2,1.8 m。垮落。顶煤从最初的整体连续状态到放出的松散块放煤步距的大小一般受顶煤冒落步距的制约。体结构,是一个裂隙产生和发展的过程。随着工作当放煤步距与顶煤冒落步距相等时,放煤与顶煤冒面的逐渐推进,顶煤将依次由完整连续状态转变为落同时进行,有利于提高顶煤采出率;当放煤步距大裂隙发育和破碎状态,最后再被放出。完成这样一于顶煤冒落步距时,不利于顶煤采出率的提高,因为个完整过程所经过的距离叫做顶煤的冒落步距。此时支架放煤口提前进入下一循环顶煤冒落体内，1.3顶煤的放 出即在中国煤化工不易冒落,而后方模拟实验表明,原来处于中硬状态的顶煤经移的煤HCNMHG后方采空区侧的矸动和破碎后,位于支架掩护梁上的顶煤可视为松散石中，从间降低木田牛;三双保少距小于顶煤冒落步体,这些顶煤在放出时,需要一次松散和二次松动过距时也不利于顶煤采出率提高,原因是初始时支架程。一次松散过程是移架后顶煤冒落形成的松散煤放煤口后方的顶煤超前冒落,(下转第23页).21.2006年第5期陈绍东:新义煤矿采用综采放顶煤工艺的技术分析总第143期生产、高产高效,最终达到一矿一面,实现矿井经济开采前,对煤层预注水,使煤体预先湿润,以减少采利益的最大化。掘时浮游煤尘的产生,降尘率一般在60% ~ 90%;3.2综采放顶煤开 采工艺的安全性分析在工作面采煤机割煤、放顶煤、运输和转载煤炭时,综采放顶煤工艺具有单产高、效率高、成本低、采取喷雾洒水措施,能有效防止煤尘飞扬;同时,应搬家次数少等诸多优势,但其增加了放煤工序,加大加强通风排尘,并选用防尘口罩,以加强劳动人员的了一次开采的厚度将分层开采2 ~3次采出的煤炭个体保护措施。-次性采出,使得采煤工作面的瓦斯涌出、煤尘产生(3)综采放顶煤工作面的顶板控制。综采放顶和顶板控制等问题复杂化,必须采取一系列的安全煤工作面采用液压支架控制顶板,较炮采的单体支技术措施,才能保证综采放顶煤开采的安全,实现矿柱增加了支护面积,增大了工作阻力,提高了支架的井高产高效。稳定性,改善了工作面的安全环境。根据工作面支(1)综采放顶煤工作面的瓦斯治理技术。新义架选型的经验公式,液压支架的工作阻力一般大于煤矿为高瓦斯矿井,随着综采放顶煤工作面产量的6~8倍采高的岩石重力,初步估算新义煤矿液压支提高和采动范围的增加,瓦斯涌出量也随之加大,治架的工作阻力应在3 500 kN以上。由于本矿井煤理煤层瓦斯的安全措施也需及时跟上。开采前,对层厚度变化较大,采煤工作面常常在放煤与不放煤工作面圈定的煤体进行瓦斯预抽;放顶煤开采时,产状态之间转换。实践证明，综采放顶煤开采比综采生的冒落裂隙带较高、空间大,瓦斯易于积聚,采用的支承压力分布范围大,峰值点前移。因此,应在一高位钻孔和高位巷及时抽放采空区及工作面上隅角般液压支架选型的基础上,增加支架前柱的工作阻瓦斯。同时,应尽量加大工作面风量,冲淡生产时产力,以便使支架的工作阻力作用线接近顶板载荷的生的瓦斯;在工作面设置瓦斯自动报警断电仪、安全作用线，以减少支架的偏转,保持支架的稳定性。监测系统等,以便持续测定瓦斯浓度,及时采取安全4矿井生产中须注意的问题措施。(2)综采放顶煤工作面防尘治理技术。本矿井根据矿井煤层情况和开采技术条件,矿井采用开采的二，煤煤层较厚,主要以粉状及鳞片状产出,综采放顶煤开采技术后,应加强工作面采空区的瓦为低水分煤，易于产生煤尘,且煤尘具有爆炸危险斯抽放,积极研究因煤层瓦斯较高而制约工作面的性。综采放顶煤工作面采煤机高速切割煤体、放顶推进速度;应不断探索因煤层厚度变化较大形成的煤等会产生大量的煤尘,煤炭装载.转载、卸载、运输顶底板起伏,并由此影响工作面液压支架的稳定性过程中也要产生一定量的煤尘。煤尘的大量产生不问题。虽然综采放顶煤开采技术目前已较为成熟，但影响矿井的安全生产,而且危及井下工人的健康。但在-一个矿井应用时总会出现新的不同的问题,还所以,在生产和运输过程中应采取综合防尘措施,最须在生产实践中进一- 步研究,进一步完善,以期实现大限度地减少煤尘产生。目前,防治工作面煤尘的矿井的高产高效和安全生产。有效措施主要有煤层预注水和喷雾洒水。在工作面(责任编辑:秦爱新)(上接第21页) 也混人采空区侧矸石中,放煤口较小。如果设L为放煤步距,Lm为顶煤冒落步距，前方的顶煤滞后至下一循环中,当支架放煤口进入按上述分析可有如下判别式存在:当Lp=L_时,利下一循环时,与顶煤步距大于顶煤冒落步距情况相于顶煤采出率的提高;当L>L_或L,