急倾斜巷道放顶煤垮落研究

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【摘 要】急倾斜煤层巷道放顶煤采煤法，在理论上及现场实践中对急倾斜煤层巷道放顶煤法进行研究，重点研究了急倾斜中厚及厚煤层顶煤可放性评价体系、顶煤区段高度的确定以及顶煤垮落规律，为急倾斜中厚及厚煤层巷道放顶煤采煤方法巷道布置及参数选择上提供可靠的科学依据。

【关键词】急倾斜；厚煤层；垮落规律

引言

急倾斜煤层开采技术在我国的主要发展方向有两个。主要是推广使用机械化开采，并将适用于缓斜煤层的回采工艺经试验并投入到急倾斜煤层开采中，这使得对用于急倾斜煤层的轻型机械的研制工作显得尤为重要。其次，应大力推广放顶煤采煤法的发展及使用，无论是对于缓斜煤层还是急倾斜煤层，放顶煤采煤方法一直都是采煤方法改革的一个重要研究方向。可以将水平分段综采放顶煤采煤法应用于大部分急倾斜煤层，而巷道放顶煤采煤法最佳适用条件是急倾斜中厚―厚煤层。

1 顶煤破碎机理

急倾斜厚煤层巷道放顶煤系统内围岩应力重新分布，由于集中应力和瓦斯压力的存在，煤体被迫向巷道内移动，形成极限平衡区，随之而来的是极限平衡区产生裂纹，并且裂纹有逐渐向上部发展的趋势。由于煤体当中产生了裂纹，致使煤体无法保持进入极限状态时的应力，从而塑性变形在此阶段产生，直接导致承载能力下降，极限平衡区下部发生破碎现象，逐渐成为破碎区。位于极限平衡区下部的煤体悬露面积会随着初采的进行而逐步变大，当悬露面积扩大到一定程度，即达到煤体的极限跨度时，顶煤开始发生垮落现象。

由于顶煤的垮落，顶板失去支撑而下沉，随着破碎区的不断扩展，顶板下沉亦不断加剧，最后因顶板垮落而导致放煤的终结。

图1 急倾斜厚煤层放顶煤系统

理论和实践证明，当煤体所处的原岩应力状态不发生改变时，其内部结构不会发生任何变化顶煤处于应力极限状态，则煤体边缘的裂隙会有向深部发展的趋势，此时进行松动爆破或是开挖一系列的巷道，顶煤的平衡状态就会被破坏，变得容易破碎。

由此可以看出，在对急倾斜煤层使用巷道放顶煤采煤工艺时，区段高度的确定显得尤为要，尤其是在低瓦斯或顶板顶煤较硬的中厚及厚煤层进行放顶煤时，区段高度的选择则更应准确、合理。反观其实质，就是应该保证顶煤在矿山压力的作用下可以进入应力极限平衡状态

2 回采工艺及巷道布置

根据急倾斜煤层的矿山压力与放顶煤的特点，加之，大部分的煤层煤质松软，放顶煤生产成为可能，而放顶煤生产是在放煤巷道内进行，巷道放顶煤的回采工艺实际只有破煤、放煤、运煤三道工序，不用支护采空区和进行顶板管理，相当于少了两道工序，使得工艺非常简单。工人只在放煤巷道内作业，劳动强度低。

在急倾斜中厚及厚煤层巷道放顶煤采煤法中，由于煤层厚度大，倾角大的特点，回采巷道的类型都采用全煤巷。放煤巷道布置有穿煤层顶板、穿煤底板和混合布置以及全煤层布置四种情况，考虑煤层厚度及现场效益等问题，因此放煤巷道全煤巷布置较为有利，采用合理的支护方式，在完成本区段的放煤任务后，放煤巷道留作为下一区段的回风巷。具体如图2所示

图2放煤巷道断面图

放顶煤采煤工艺中两个重要的环节就是顶煤的破碎和下放。所以说，在回采工艺过程中，破煤和放煤是非常关键的两道工序。按照巷道放顶煤采煤法的回采工艺特点及其生产顺序，可以将其分解为初采、正常回采以及终采三个步骤。

（1）初采

初采的目的就是为正常回采做好准备。首先，放煤巷道内各放煤小眼做好放煤准备，在矿山压力、煤体自重（视情况采取适当的爆破）等动力作用影响下按规定放出少量顶煤，形成松动空间，以利于区段内全部顶煤松散破碎、垮落。

在沿放煤巷道走向一定范围内（70～90m）采出少量顶煤，以使顶煤在破碎和下移过程中有一个自行垮落和松散的空间。根据试验和现场测试，该空间轮廓为一自然平衡拱，其形状是一条抛物线，按照下列所给公式进行扩大，空间扩大实际上是自然平衡拱逐步上移的过程，因此，自然平衡拱不断上移造成顶煤裂碎、松散、冒落。

（1）

式中：h-自然平衡拱的高度，m

f-煤体的硬度系数

在选择落煤方式时，主要考虑煤体的软硬程度，如果煤质较软，则直接使用手镐掏煤即可；而当煤质较坚硬时，则应该先布置浅孔，装入少量炸药爆破，使顶煤松动、垮落。

（2）正常回采

首先应保证放煤巷道能够稳定，放煤方式优先选取分段全线多轮均衡放煤，最大限度控制到顶煤与采空区上方矸石接触面呈水平下降。此步骤在放煤巷道内完成两道工序，即放煤和运输。生产过程中，松散顶煤被放出后，大部分直接进入位于放煤巷道内的运输机上，通过运输机运到煤仓。

冒落的松散煤体起到临时支撑采场顶、底板的作用。伴着回采工作的进行，冒落顶煤逐渐下放，顶煤上部边界空间的发展趋势为逐渐向下扩大，顶、底板悬露面积逐渐扩大，当达到一定的限度时发生自上而下的垮落现象，垮落矸石随顶煤冒落，最终覆盖在松散顶煤上方，同与其接触的煤体充填采空区。

正常回采阶段的三项主要工作内容：合理放煤方式的选择、巷道正常维护以及与之相匹配的劳动组织。

放煤方式的选择必须建立在对散体运动规律的认识上。目前的放煤方式可以有三种：单轮顺序放煤、多轮顺序放煤、单轮间隔放煤。传统的观点认为，多轮顺序放煤可以得到较高的回收率和较低的含矸率。

当放煤量占应放煤量的60%～65%左右时，即正常放煤阶段结束，进入终采阶段。

（3）终采

全面检查各个放煤口，将剩余的顶煤放到见矸为止，并立即封闭放煤口，回撤运输机和巷道支架，并且回收部分支架脊背煤体，整个这一阶段的放煤量占应放煤量的10%～15%。

3 总结

在应用此采煤法时，考虑煤层厚度大，倾角大，因此回采巷道应采用全煤巷。而考虑煤层厚度及现场效益等问题，放煤巷道选择全煤巷布置较为有利。

与传统巷道放顶煤采煤法的巷道布置相比，在放煤巷道和回风巷道之间布置了一条开切上山，在进行松动爆破之前，该上山可作为回风线路；在对顶煤可放性产生影响的因素中，煤层强度的影响力最大，而开采深度、煤层倾角和厚度相对来说影响力稍小。