1、专题部分浅析综放开采顶煤运移规律及冒放性研究摘要：针对我国厚及特厚煤层实行大采高综放开采的发展趋势，在详细分析前人研究成果的基础上，运用理论分析、数值模拟、实验室相似材料模拟以及现场实测等多种研究方法，深入研究了厚煤层大采高综放开采煤岩冒放规律和围岩控制，初步研究了厚煤层大采高放顶煤开采工作面矿压显现规律、顶板移动规律、工作阻力确定方法。首先分析了大采高条件下影响顶煤冒放性的因素，包括自然地质因素和工艺技术因素。重点分析了顶煤冒放空间和成拱的影响因素及顶煤运移规律。其次分析了煤岩体中应力场、塑性破坏场以及顶煤破碎的影响因素。关键词：综放开采 顶煤冒放性 放煤工艺 冒放性1 引言按照煤层厚度划分
2、，当单一煤层厚度超过3.50m以上时为厚煤层，而单一煤层厚度超过8.00m则为特厚煤层。厚煤层及特厚煤层一般具有储量大、煤质好、赋存稳定等优点，其开采方法、开采效率及采出率问题一直是世界采矿届探讨的难题。在世界主要产煤国家中，厚及特厚煤层的储量占到了可供开采的煤炭资源的20%50%，厚煤层产量约占煤炭产量的32%。在我国煤炭资源中，厚煤层及特厚煤层储量约占总储量的45.60%，厚煤层及特厚煤层原煤产量占到了全部产量占到了全部产量的44.80%。华北、东北、华中和西北十三大煤炭基地的主采煤层多属厚煤层及特厚煤层，因此厚煤层及特厚煤层的开采在我国煤炭生产中占有十分重要的地位。目前，世界各国开采厚煤
3、层主要有3种方法：大采高一次采全厚整层开采、分层开采和放顶煤开采。我国部分矿区曾对厚煤层采用过去我国厚及特厚煤层普遍推行分层开采，取得了较好的效果。但与单一长壁相比，分层开采效率低，成本高，厚煤层的资源优势未能充分发挥。20世纪初，放顶煤技术作为复杂地质条件下的一种特殊采煤方法，开始在欧洲应用。此后，放顶煤技术在法国、前苏联、前南斯拉夫、匈牙利、波兰、英国等主要产煤国家得到应用，但是由于受煤层开采条件、经济因素、社会因素等多方面的影响，20世纪中期以后，国外放顶煤开采开始萎缩，目前只有少数矿井还在使用放顶煤开采。放顶煤开采是针对厚及特厚煤层开采发展起来的一种采煤工艺。它是在厚煤层的下部布置一个
4、采高(2.003.50m)的工作面，随着工作面的推进，在前方支承压力的作用下，使工作面上部的煤体压裂破碎，并在支架尾部切顶线附近冒落放出的一种采煤方法。它与其他采煤方法的不同在于，除有一个包括破、装、运、支、控全部工序的普通长壁采煤工作面外，同时在支架的后部还有一套破、放、运等的顶煤回收系统，即前后两个采出煤炭的工作场所组成了一个完整的放顶煤工作面。它与传统的分层开采相比具有显著的优越性：（1）不受煤层厚度变化的限制，可实现一次采全厚，大大提高了煤层开采强度。（2）可以充分利用中厚煤层长壁开采高效采煤机和刮板输送机，在不增加支架高度的条件下一次采出4.50m以上煤层，不仅设备初次投资少，而且省
5、下大批假顶材料费和人工费。（3）利用矿压落煤，是一种低能耗的采煤方法，与分层开采相比，可以节省电力和增加煤炭块率。（4）巷道布置简单，掘进工程量与维护工程量小，可以节省大量掘进和运输工作，缓解采掘接替紧张的矛盾，减少工作面的搬家次数，为提高矿井全员效率创造了条件。（5）工作面有两个出煤点同时出煤，可提高单产和工效。在综放技术的探索阶段中，主要在辽源矿务局、乌鲁木齐矿务局、平顶山矿务局、潞安矿务局等多个煤矿进行了综放开采的试验，基本上都取得了成功，摸索出综放开采的一些基本规律。在逐步成熟阶段中，兖州兴隆庄矿综放工作面单产突破了3.00Mt/a是这个阶段的重要标志，并且在理论研究上也取得了重大突破
6、。在技术成熟和推广阶段中，国家和煤矿企业都加大了对综放开采技术的投入，在多个重大技术难点上取得了很大进步，形成了多个高产高效矿井，而且在特殊条件下的矿井，综放开采也得到了应用，综放开采显示了其巨大的优越性。而且有降低成本，减轻工人劳动强度，提高劳动生产率等显著的技术与经济优势。综放开采工艺能否成功地推广应用，发挥高产、高效和低耗的技术优势，其关键技术首先涉及顶煤破碎机理、破碎快度分布规律及破碎程度，即综放开采顶煤冒放性分类评价；其次存在综放开采工艺参数选择对顶煤冒放性的适应问题，即如何从优化选择综放开采工艺参数角度提高顶煤冒放性，增加顶煤回收率，再次，随着煤层厚度的增加和开采技术条件的成熟，综
7、放开采逐渐向大采高综放发展。兴隆庄煤矿1308工作面煤层厚度为7.859.90m，加权平均厚度为8.60m，目前采高为3.50m，将逐步增加到设计采高4.00m。国内外学者对放顶煤开采的研究几乎都是建立在机采高度2.003.50m范围进行的，未涉及到机采高度在3.504.00m情况下的放顶煤开采。当放顶煤机采高度加大时，煤岩冒放规律、放煤工艺参数以及煤岩结构都将有所改变。为保证大采高综放开采工作面的顺利进行，需要对工作面煤岩活动规律和放煤工艺参数等进行深入的研究，为我国今后大采高放顶煤工艺的安全高效开采奠定基础。2 综放开采技术国内外相关研究现状综述2.1综放开采煤岩活动规律的研究现状2.1.
8、1老顶活动规律研究现状回采工作面的顶板控制是采场矿山压力研究的重要课题，自20世纪20年代以来就以各种假说形式被提出来，用以解释各种矿山压力现象，其中有代表性的假说有压力拱假说、悬臂梁假说、铰接岩块假说和预成裂隙假说。我国学者钱鸣高院士于70年代末80年代初建立了采场裂隙带岩体的“砌体梁结构”，又称“无拉力梁式结构”。该理论认为：采场上覆岩层的岩体结构主要是由多个坚硬岩层组成，每个分组中的软岩可视为坚硬岩层上的载荷，此结构具有回转变形和和滑落两种失稳形式。缪协兴、钱鸣高给出了砌体梁全结构模型，见图1-1，并对全结构进行了力学分析，得出了砌体梁的形态和受力的理论解以及砌体梁排列的拟合曲线。图2-
9、1 砌体梁结构模型钱鸣高、张顶立认为在放顶煤开采的上覆岩层结构模型中，其老顶活动规律为：在综放采场上方仍存在稳定的砌体梁结构，其形成位置远离煤层、老顶断裂和失稳位置远离采场。在距煤层(1.502.00)m范围以上存在较坚硬顶板岩层时，则可形成稳定的砌体梁结构，该结构形成和失稳对采场无直接影响，其影响实质是砌体梁结构失稳回转过程中促使其下部结构的失稳高度增加，支架载荷增大，从而造成工作面来压。砌体梁结构的“SR”稳定：采动后岩体内形成的砌体梁力学模型是一个大结构，而此大结构中影响采场顶板控制的因素主要是岩层移动中形成离层区附近的几个岩块（即砌体梁中A、B、C岩块）。显然，关键块的平衡与否直接影响
10、采场顶板的稳定性及支架受力的大小。因此，在砌体梁结构研究的前提下重点分析了其中关键块的平衡关系。主要提出了砌体梁关键块的滑落与转动变形失稳条件，即“SR”稳定条件。滑落稳定条件（S条件）： （2-1）回转变形稳定条件（R条件）： （2-2）砌体梁关键块的分析为采场直接顶的上部作用力与位移提供了边界条件，从而为分析直接顶稳定性奠定了基础。2.1.2直接顶活动规律研究现状刘长友教授研究认为：以砌体梁结构的“SR”稳定理论为指导,运用相似模拟实验和数值计算等方法,对采场直接顶岩体的受力边界条件、位移场分布特征、p-l关系曲线等进行了研究。根据放顶煤开采这种情况，不再把直接顶视为刚体，而视直接顶为可变
11、形体,论证了由于直接顶变形，致使砌体梁对直接顶的回转变形载荷可能被破碎的直接顶所吸收，得到传统的pl双曲线关系并不适用于厚度为6倍采高时的直接顶。其研究结果是对传统支架围岩关系的补充和完善。张顶立博士研究认为在放顶煤开采的上覆岩层结构模型中，由于砌体梁结构的普遍存在性（大结构），直接顶下位岩层存在随机平衡结构（小结构），直接顶结构运动在（1.001.20）m范围以下的直接顶垮后形成不稳定的临时随机结构，其失稳具有随机性，而在此范围以上的直接顶垮落后回转空间小，可形成较稳定的临时结构，这种结构随采场推进将不断交替形成和失稳，从而形成工作面不甚明显周期性变化的压力显现；研究还认为，当采场上方存在较
12、坚硬直接顶时，其周期性折断并伴随临时结构的失稳亦可导致综放采场的周期来压；临时结构垮落步距相对较小，直接顶周压步距一般不大。本专题所参考文献提出了“砌体梁”与“半拱”式结构结合而构成的综放工作面覆岩结构的基本形式，“半拱式”结构具有不同的表现形式和载荷特征，可以分为三种基本类型:“散体拱”结构，“桥拱”结构和“复合梁”结构。不同的结构形式相应的具有不同的矿压控制方法。2.1.3顶煤活动规律研究现状1.综采放顶煤顶煤运移规律及顶煤变形破坏分区的研究现状随着综放开采技术在我国的广泛应用，许多学者采用相似材料模拟、数值计算、计算机仿真以及深基孔顶煤位移现场观测等方法对顶煤运移规律进行研究，对综放工作
13、面煤壁前后的顶煤进行了变形分区，研究了不同区域顶煤变形特征、裂隙发育状况，以及顶煤的受力问题，归纳起来有以下基本规律：（1）顶煤始动点位置与煤层硬度有关。顶煤越软，顶煤始动点超前工作面煤壁的距离越远；反之，顶煤越硬，顶煤始动点超前工作面煤壁的距离越近。同一煤层，顶煤层位越高，其始动点位置超前工作面煤壁距离越远。（2）综放面煤壁前方顶煤位移主要以水平位移为主，随着工作面的推进，垂直位移逐渐增大；煤壁后方支架上方的顶煤以垂直位移为主，垂直位移大于水平位移。（3）顶煤垮落角与煤的硬度有关。软煤的顶煤垮落角大于90，中硬煤的顶煤垮落角80左右，而硬煤的顶煤垮落角较小。综放开采顶煤位移量的大小反映了顶煤
14、中裂隙发育情况，位移量越大，顶煤中裂隙越发育。通过大量的顶煤运移实测资料，经回归分析得出综放面顶煤运移规律，即顶煤位移量与顶煤距工作面煤壁距离之间满足指数函数，可用下式表示： （2-3）式中，S为顶煤的位移量；x为顶煤位移点与综放面煤壁之间距离，顶煤位于综放面煤壁前方时x为正值，反之顶煤位于煤壁后方时x为负值；a、b为常数，其值与煤层厚度M、顶煤普氏系数f以及顶煤位移点的高度H有关。闫少宏博士认为顶煤的弱化过程实际上是一种介质的损失过程并借住损伤力学的部分观点和介质判断准则，根据损伤力学原理将顶煤分为弹性区、塑性区、散体区；由于煤体裂纹、裂隙的发展，产生极限平衡区、塑性区、破碎区三个区域。该分
15、区从属性高度阐明了放顶煤开采条件下，顶煤运移规律和顶煤介质力学状态的转化过程，认清了各分区的顶煤力学介质。靳仲铭、宋选民认为：由于工作面的移动特性，顶煤将顺次经过以下四区，破坏逐渐发展，直到完全破碎而由放煤口放出，而当煤层及开采条件发生变化时，各破坏区的范围将有所不同。顶煤变形分为：显著变形区（完整区）：为在支承压力峰值靠向煤体深部，为弹性变形区，有明显裂缝变形。顶煤压裂区（破坏发展区）：为塑性变形区，即支承压力峰值点至煤壁，裂缝成X型开裂，顶煤呈现大块整齐排裂。在该区内，水平位移约为垂直位移的两倍。顶煤松动区（裂隙发展区）：底煤采出后，支架上方的顶煤支承压力趋于零，在支架反复支撑和采煤的影响下，顶煤沿已开裂缝松动，垂直位移约为水平位移的10倍。下位顶煤的垂直位移大于上位顶煤的垂直位移。放落区（垮落破坏区）：顶煤形成下小上大的块度，在顶煤放出时形成平衡拱，阻碍顶煤放出。顶煤的冒落角多在80左右。张顶立博士认为，顶煤处于支架与顶板的作用体系中，顶煤是媒介，他们之间相互作用，促进了顶煤的变形和破坏发展。他采用力学分析引入了直接顶刚度、煤刚度和支架刚度的概念，得出了各自的变形量。采用有限元模拟计算方法对放顶煤工作面中部顶煤的变形和破坏规律进行了研究，得出顶煤的破
