曹 偉

(山西寧武大運華盛南溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700)

引 言

據(jù)統(tǒng)計表明，我國每年煤炭產(chǎn)量及消耗量均在全球占據(jù)前列?？上攵禾繉ξ覈鴩窠?jīng)濟、人民生活水平提升的必要性和重要性。隨著科學(xué)技術(shù)和自動化水平的不斷進步，我國煤炭開采已經(jīng)步入綜采自動化時代，其開采效率及安全性均得到了前所未有的提升。實際生產(chǎn)中，只有在開采技術(shù)與煤層所處地質(zhì)條件相匹配的情況下才能將綜采工作面大型綜采設(shè)備的效率發(fā)揮到最大[1]。針對煤炭地質(zhì)的研究已經(jīng)有上百年的歷史，可見地質(zhì)條件是影響煤炭開采的關(guān)鍵因素，具體表現(xiàn)為煤田地質(zhì)中的沉積相以及各種結(jié)構(gòu)對礦床穩(wěn)定性的影響等。

然而，近年來我國對煤炭的需求已不同于往年，而且在國家環(huán)保要求的影響下煤炭的開采進入一個低谷期。但是，就煤炭對我國經(jīng)濟發(fā)展的長期影響來看，我國在未來幾年還需依賴煤炭發(fā)展經(jīng)濟。因此，根據(jù)煤田地質(zhì)情況設(shè)計相匹配的開采技術(shù)不僅能夠提升煤炭開采效率，還能夠降低煤炭開采的成本。通過在對煤田地質(zhì)、煤田特點、頂?shù)装鍑鷰r地質(zhì)特征充分掌握的基礎(chǔ)上，基于仿真軟件模擬礦山壓力，進而對煤炭開采的支護及設(shè)備選型提供理論依據(jù)，最終為煤礦采煤系統(tǒng)提供指導(dǎo)性建議，將綜采工作面資源的利用達到最大化。本文將著重開展放頂煤技術(shù)在煤炭開采的適用性研究。

1 放頂煤技術(shù)發(fā)展歷程研究

目前，放頂煤技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用于我國煤炭開采中，從其最終應(yīng)用開始距今已有200多年的歷史。放頂煤技術(shù)的發(fā)展大致可以分為以下三個階段。

1) 探索階段

放頂煤技術(shù)最早應(yīng)用于歐洲國家，主要針對軟煤層的開采。放頂煤開采技術(shù)的實施最初依靠拱形支架完成，主要是由焊接的金屬框組成的[2]。但是，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)拱形支架的支撐能力有限，容易出現(xiàn)冒頂和片幫的事故發(fā)生，具有較大的技術(shù)局限性。

2) 發(fā)展階段

隨著放頂煤技術(shù)在急傾斜煤層的應(yīng)用，加之到二十世紀中葉液壓支架的發(fā)明，使得放頂煤技術(shù)得到了飛速發(fā)展，可以應(yīng)用于對厚煤層的開采。隨著液壓支架技術(shù)的進步以及與其相配套刮板輸送機的研發(fā)將放頂煤技術(shù)真正應(yīng)用于厚煤層的開采中。

3) 成熟階段

由于放頂煤技術(shù)的技術(shù)局限性較大，加之在二十世紀后期煤礦開采進入低谷期，使得該項技術(shù)沒有在全球范圍內(nèi)得到推廣。進入二十世紀八十年代以來，隨著我國自主研發(fā)的滑移頂梁支架和開窗式支架的應(yīng)用以及我國綜采工作面自動化水平的不斷提升，使得放頂煤技術(shù)在我國煤礦開采中取得了飛速的發(fā)展，逐步進入成熟期。

2 放頂煤技術(shù)原理分析

在煤炭的實際開采中，根據(jù)工作面地質(zhì)及水文條件在其回采工作面煤層底部安裝一個長度為200 m～300 m的長壁工作面，并由一排液壓支架支撐工作面。在回采過程中，首先通過割煤機將長壁工作面的煤炭采出，并依靠前刮板輸送機從長壁工作面送出；而后在液壓支架的作用下，將刮板輸送機向前推進；最后，頂部煤層在礦山壓力的作用下被破碎后垮落至液壓支架上方，基于人工操作將支架上方的煤炭通過后刮板輸送機進入煤炭破碎機中破碎處理后運輸處工作面。圖1所示為綜采工作面放煤操作部署示意圖。

圖1 綜采工作面放煤操作示意圖

3 放煤系統(tǒng)

3.1 放煤技術(shù)適用性分析

1) 煤層厚度與采放比

據(jù)研究表明，煤層厚度是影響放頂煤技術(shù)適用性的關(guān)鍵條件。按照相關(guān)標準，將煤層厚度分為極薄、薄、中厚、厚以及特厚煤層[3]。由于我礦煤層的特殊性，使得在我礦區(qū)存在兩種放頂煤采放比的現(xiàn)象。不同的采放比決定了煤層厚度和底部割煤量。其中，煤層厚度決定綜采設(shè)備是否能夠合理布置于長壁工作面；底部割煤量過少使得頂煤無法完全破碎，底部割煤量過多增加了開采成本，因此應(yīng)該根據(jù)工作面實際情況確定采放比。本礦工作面的煤層厚度可達5 m，滿足放煤開采技術(shù)的使用條件。

3.2 煤層埋藏深度

煤層的埋藏深度在很大程度上決定工作面的開采難度。在實際采煤操作中，煤體會受到垂直于工作面的豎向壓應(yīng)力和水平向應(yīng)力，二者的計算如式(1)所示。

(1)

式(1)中，H代表采高，m；K代表應(yīng)力集中系數(shù)，取2～3；γ代表上覆巖平均密度，一般取γ=2.5 t/m3；μ代表煤體圍巖的泊松比，取μ=0.3；Rc代表煤體單軸抗壓強度，MPa；f代表煤體內(nèi)部的摩擦因數(shù)，一般取f=0.7。

通過分析可知，當煤體單軸抗壓強度Rc較小時，即煤層較軟時適合使用放頂煤技術(shù)開采；當煤層埋藏深度越大時，頂煤越容易脫落破碎，也較適合使用放頂煤技術(shù)，但是埋藏深度過大會導(dǎo)致開采成本增加。因此，煤層埋藏深度是放頂煤技術(shù)應(yīng)用的必要條件。

綜上所述，就煤層厚度而言，放頂煤開采技術(shù)適用于我礦，且我礦埋藏深度為450 m左右，滿足放頂煤技術(shù)的條件。

3.3 頂煤運移研究

所謂頂煤指的是當工作面底部煤被采煤機采出后，頂部煤層就變?yōu)橹苯禹數(shù)囊徊糠?。與頂板不同的是，頂煤是由于人為原因造成其工程力學(xué)性質(zhì)與頂板的不同[4]。因此，需專門對頂煤的運移特性進行研究。

本文以我礦5304工作面為研究對象，當對其進行回采操作時在工作面布置一定數(shù)量鉆孔觀察點，分別對距離底板5 m和6 m的頂煤累計位移進行記錄，將記錄的數(shù)據(jù)基于Excel軟件進行擬合處理，分別得出如第78頁圖2～圖3所示的擬合曲線。其中，圖2為距頂煤為5 m時，頂煤位移隨著距煤壁距離的變化曲線，圖3為頂煤為6 m時，頂煤位移隨著距煤壁距離的變化曲線。

分析圖2、圖3可知，盡管我礦煤層中煤炭硬度較大，但靠近煤壁處的頂煤累計位移較小，不會造成片幫漏頂?shù)默F(xiàn)象，滿足支架后方放煤窗口放煤的要求[5]。因此，盡管我礦工作面煤層較硬，采用合理的工程技術(shù)可以采用放頂煤開采技術(shù)。

4 結(jié)語

工作面采出率是衡量該煤層工作面是否能夠使用放頂煤開采技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。所謂工作面采出率指的是采出儲量與工作面儲量比分所得百分比。隨著綜采工作面自動化水平的提升，推進我綜采工作面放頂煤開采技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，進而不斷提高工作面的采出率。因此，針對不同的煤層特點，應(yīng)選擇合適的工程條件將先進的開采技術(shù)應(yīng)用于其中，為降低工作面開采成本，提高開采效率奠定基礎(chǔ)。

圖2 h=5 m頂煤累計位移與距煤壁距離關(guān)系曲線

圖3 h=6 m頂煤累計位移與距煤壁距離關(guān)系曲線