1、专题部分煤矿综放面顶板顶煤分类及应用研究摘要本文深入研究了煤层的埋深、强度和裂隙发育程度以及夹石层的层位、厚度和强度，对综放面顶煤可放性的影响，运用数值与经验相结合的分类方法对顶煤进行了可放性分类。采用岩层质量指数法，综合考虑影响岩层稳定性的岩层强度、裂隙发育程度和分层厚度等“三因子”要素，对直接顶和老顶进行分类。关键词： 综放面 顶煤分类 可放性 稳定性 顶煤相对强度敏感性指标 夹石层 顶板结构AbstractThis paper analyses main facts that influence the caving and drawing characteristics of top-
2、coal,such as underground deep,intensity and joint crack of coal seam;layer relations,thickness and intensity of rock parting.According to the caving and drawing characteristics of top-coal,classify top-coal with classification of combining numerical value with experience.Comprehensive surveying thre
3、e facts that influence the stability of stratum,such as intensity,slice height and joint crack interval of stratum,classify immediate roof and main roof with the method of stratum quality index.Key words: fully mechanized top-coal caving face classification of top-coalcaving and drawing characterist
4、ics stabilitytop-coal relative intensity sensibility targetrock parting roof structure1 绪论1.1课题的研究意义世界主要产煤国家可用于井工开采的煤炭资源中，厚及特厚煤层储量占20-50%，厚煤层井工产量平均比重为32%。我国是世界上主要产煤大国之一，厚煤层储量十分丰富，约占储量的45.6%，产量占原煤产量的44.8%以上.据2000年我国国有大中型煤矿统计，拥有5.0m以上厚煤层的生产矿井数量占生产矿井总数的40.6%。可见，厚煤层开采在我国煤炭开采中起到举足轻重的作用。由鱼各国煤层赋存条件和开采习惯的不同
5、，厚煤层开采方法也是多种多样。目前世界各国厚煤层的开采方法基本上可分为三类，即一次全厚开采、分层开采和放顶煤开采，其中以倾斜分层开采方法在世界各国厚煤层中应用最广.自80年代我国应用放顶煤采煤方法以来，综采放顶煤技术在我国得到了迅速发展。例如，1997年年产超过百万吨的76个综采队中，有22个用放顶煤综采的，其中年超过2Mt的12个综采队中，有8个用放顶煤综采。在充州矿区，截止到2000年，综放产量占整个综采产量的78.12%。可见，综采放顶煤开采方法是厚及特厚煤层开采技术发展方向之一，必将得到进一步的推广和应用。尽管综采放顶煤技术在我国得到了迅速的发展，并且取得了较好的技术经济效果，但是在顶
6、板控制中，对于综采放顶煤工作面的顶板分类，目前一直沿用或套用了单一煤层及分层开采的理论依据和分类标准。这与实际情况有很大的差异性。根据目前的顶板分类方案进的支护设计和支架选型在实用过程中存在着不适应性。例如，1994年兴隆庄煤矿4314综采放顶煤工作面首次出现四连杆断裂、底座箱开裂等问题。1994-1996年，鲍店矿1308. 1306综放工作面、东滩14307综放工作面也相继出现类似问题。对于综采放顶煤工作面的顶板(顶煤)分类和异常压力等问题，目前国内外尚未进行系统的分析研究，更没有统一的理论、可行的顶板分类方案和切合实际的支架选型、支架工作阻力计算办法可遵循。为此，本人在前人研究的基础上，
7、结合充州矿区实际，对综采放顶煤工作面的顶板(顶煤)分类、活动规律和支架围岩关系进行了专题研究。以便指导支架设计、支架选型和现场顶板管理。本课题的研究具有重要的理论和实践意义，也将产生较大的社会及经济效益。1.2国内外研究现状及存在问题对煤层顶板分类这样一个课题，国内外众多学者己做了大量工作。现简单介绍如下:1.2.1国外顶板分类概况（1）原苏联的顶板分类最早而且著名的分类是按直接顶与采高的比值，将顶板分为四类，用以选择相应的采煤方法。近几年具有代表性的分类是奥尔洛夫分类。该分类在综采调压实验的基础上，根据支架与围岩力学相互作用特征，将顶板分为三大类:轻型、中型、重型。每类中，又根据直接顶岩性，
8、分层厚度及容许暴露面积，将直接顶分为三级:不稳定、稳定、坚硬顶板。在此基础上，提出工作面相应的临界阻力选取数据。但该方案较为繁琐，实用性差。（2）德国的顶板分类德国没有完整的工作面顶板分类方案。比较流行的是原埃森研究所提出的方案，根据直接顶的岩性及结构分为三类:直接顶下位软弱岩层(泥页岩、碳质页岩)厚度大于1.0m；该厚 度小于1.0m；下位岩层为砂质页岩，或粉砂岩。依此针对不同类型分别选择相应支架形式及支护强度。（3）法国的顶板分类根据顶板岩性引起的不同运动特征，将直接顶分为两类:第一类主要为有砂页岩或砂岩组成的厚层顶板。此类顶板具有侧向膨胀特征。被裂隙分割的岩块，冒落时彼此分离，使工作面出
9、现台阶下沉。第二类顶板为层理发育的岩层，直接项岩块参与支架一围岩相互作用。由于平行层面的水平力的作用，造成岩块相互挤压，形成力学结构。如果出现两个方向的裂隙，将容易引起冒落。但此种分类未涉及老顶的作用，因而是不全面的。（4）波兰的顶板分类波兰学者根据岩石沿层面垂直方向的抗拉强度即离层阻力将顶板分为六级:I级 Rn=0-0.5MPa II级 Rn=0 .5-1.5MPa III级 Rn=1.5-3.OMPaIV级Rn=3.0-4.5MPa V级Rn=4.5-6.0MPa VI级Rn6.0MPa注:Rn为离层阻力。其中，前三级为易冒落顶板，第四级顶板有一定自承能力，第五级采空区有悬顶，需人工处理顶
10、板，第六级为极难冒落顶板，需采取特殊破顶及放顶措施。但是，顶板离层阻力的测定，在我国目前还没有简易办法。1.2.2我国煤矿顶板分类概况1978年至1981年，煤炭科学研究院北京开采所、中国矿业大学、阜新矿业学院和大同、阳泉、徐州、阜新等22个矿务局、7个高等院校、4个研究所共同完成了我国缓倾斜煤层工作面顶板分类方案，并有煤炭工业部下发【81煤科字第429号文件准予试用。分类试行方案按稳定状态将直接顶分为4类，按老顶来压显现状况将老顶分为4级，其试行方案见表1-1。表1-1 原顶板分类试行方案注：表中D的单位为kgf/cm2；L0、L的单位为m2。 试行分类方案经过近十年的试用，对于综采选型及控
11、制起到过重要作用，但也存在以下问题:(1 )限于当时的研究资料和研究水平，原分类方案未能提出对现场支护设计及顶板管理的指导方针。(2 )按原方案要求，必须在测定工作面的顶板裂隙密度之后，才能进行分类。但实践表明，裂隙测定十分困难且误差较大，同时对未采工作面难以进行分类，因而难以事先为设计提供可靠依据。(3) 裂隙密度固然对顶板稳定性影响显著，但裂隙方向的影响也不容忽视。(4) 原方案中，直接顶第四类是坚硬顶板，这在概念上易造成混淆。(5) 老顶分级实际上是其来压强度分级或矿压显现分级，而不是老顶本身强度分级。1991年，原统配煤矿总公司下达了“缓倾斜煤层回采工作面顶板分类修订研究”的课题。本课
12、题由煤炭科学研究总院北京开采所矿压室承担，搜集和总结了综采和普采共约600个工作面的矿压数据。完成了预定的任务。顶板分类修订方案如下:(1)直接顶稳定性分类分类依据直接顶系指直接位于煤层之上的易垮岩层，直接顶初次垮落步距是综合反映其固有稳定性的权威性指标。在直接顶中无贯穿裂隙时。其初次垮落步距可视其为与固支梁的极限断裂步距等效。同时考虑到岩石强度，岩体结构和裂隙的影响。在此基础上，建立了修订后的直接顶稳定性分类准则见表1.2.直接顶分类指标的选取规则平均分层厚度ho是指自下而上直接顶厚度1-1.5m内分层厚度的平均值。而分层厚度可按放项线顶板的冒落台阶高度来确定。直接顶的单轴抗压强度，同样取下
13、部1-1.5m内岩石石块强度的平均值。直接顶初次垮落步距是指:从切眼开始推进的工作面，直至发生第一次垮落，其垮落厚度在工作面中部超过1.5m以上，且垮落长度超过工作面长度一半以上，切眼至工作面放顶线的距离。表1-2直接顶稳定性分类指标及界限（修订）注：lz直接顶实际垮落步距，m；lzo估算的直接顶初次垮落步距，m； Czcc平均综合弱化当量，MPa；Rc岩石抗压强度，MPa； ho下层直接顶平均分层厚度，m。(2)老顶来压显现分级分级标准从满足回采工作面顶板控制的要求出发。重点是老顶的矿压显现特征及其分级。反映老顶矿压显现强烈程度的标准，是项板下沉和支架载荷。一次为目标函数的自变量即主要影响因
14、素是:(a)老顶初次垮落步距(L)；(b)直接项厚度与采高的比值(N):它是采空区老顶下方冒落岩石充填程度的综合反映:(c)采高.运用模糊动态聚类与回归分析相结合，对老顶进行分级，详见表1-3。表1-3老顶矿压显现分级和使用条件注：单位：Lom；N=h1/M无量纲；Mm。老顶来压显现强度分级准则的使用1、必须准确搜集工作面及本煤层的地质、技术和矿压显现资料。2、计算来压当量DH确定其所在的不等式区间。3、表中及公式中，直接顶厚度是指直接位于煤层之上的易垮落即能够随采随落的岩层厚度.4、按本方案，在直接顶厚度不变的条件下，老顶级别将随采高变化跟着变化。因而任何煤层，当采高改变时，必须及时调整来压
15、级别，即重新考虑支架选型及岩层控制措施。现行的MT554-1446缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类存在的问题:(1)此方案不适用于综采放顶煤工作面.在综采放顶煤工作面，由于顶煤的存在而使直接顶和老顶的运动规律有所改变。因此，如果运用在单一煤层及分层开采应用的缓 倾斜煤层采煤工作面顶板分类方案对综采放顶煤工作面顶板进行分类，造成与实际情况有很大差异性，在使用过程中也有很多不适应性。(2) 现行的 缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类方案分类目标太多，不利于确定直接顶、老顶的类别和级别，更不利于实现顶板分类专家系统。(3)现行分类方案对直接顶和老顶的概念解释不清。直接顶和老顶的概念应该是:所谓直接顶，是指能在老塘不规则冒落的、不能向煤壁前方和老塘研石上永久传递力的、其作用力必须由支架全部承担的那部分岩层的总和。所谓老顶，是指自身能形成平衡拱结构、能永久地向煤壁前方和老塘研石上传递力的、其运动对采场有明显的影响的、其作用力无需支架全部承担的那部分岩层。1.2.3 国内外对顶煤的研究概况国内外众多学者对综采放顶煤工作面的顶煤可放性、顶板结构和矿压显现规律进行了诸多研究。顶煤的可放性是指煤层顶部煤体在支承压力作用下冒落和放出的难易程度.亦即顶煤冒落特性和放出特性的总和。顶煤是否
