顶煤具有良好的冒放性是进行放顶煤开采的必要条件, 根据不同的顶煤冒放性, 采取相应的技术措施和工艺参数则是实现放顶煤开采理想经济效益的基础。顶煤冒放性的好坏将直接影响到采出率的高低, 所以对放顶煤进行冒放性的预测研究是十分必要。
普放开采顶煤的冒放性直接影响普放开采技术的成败, 是制约普放开采技术应用的主导因素。冒放性通常是指适合放顶煤开采的煤层位于支架之上的顶煤在地压和支架的作用下, 在开采过程中能够垮落并放出的特性。普放开采顶煤的冒放性应充分考虑地压大小、支架形式、顶煤的特性、顶底板特性及采放比、采放步距等多项因素。顶煤具有良好的冒放性是实现普放开采的最基本前提和条件。
放顶煤开采中, 顶煤由原始状态到放煤, 主要经历了变形、膨胀、移动和垮落等这样一个复杂的过程, 揭示顶煤移动规律、应力场分布及其应力传递规律, 对于控制端面稳定、确定合理放煤高度和顶煤冒放性、最大限度放煤及提高采出率都是十分重要的。放顶煤开采是利用地压破煤, 地压破煤问题的一个方面是破煤的动力。煤层的顶板条件也对顶煤的冒放性有影响, 虽然对顶煤的受力影响不大, 但对顶煤的冒落过程影响很大。这一影响主要取决于破碎顶板对采空区充填的程度, 充填程度越高冒放性越好。
研究结果表明:顶煤从原生裂隙扩展以至出现强度破坏, 直到最后从放煤口中放出, 受许多因素的影响, 说明顶煤冒放性与很多因素有关, 既有顶煤内部的因素, 也有外部因素。概括起来, 影响顶煤冒放性的主要因素有开采深度, 煤层的厚度和强度、煤层的夹矸层数和厚度、顶煤中节理裂隙的发育程度, 直接顶岩性及厚度, 基本顶岩性及厚度等。同时, 这些因素对顶煤冒放性的影响程度也不相同, 这说明顶煤冒放性是一个多因素的综合评价过程。
煤层强度是煤层本身抗破坏能力的主要指标。对于强度不同的煤体, 传递顶板应力的结果不同, 顶煤在煤壁前方开始变形, 移动的位置也不同。煤的坚固性系数越小, 表明强度越低, 顶板在煤壁前方的起始活动点越远, 支承压力峰值离工作面煤亦越远, 从而顶煤受力的作用也越长, 有利于顶煤的放出。但是如果顶煤太软, 也会给工作面支架端面的维护造成困难。相反, 值越大, 支承压力峰值越大, 支承压力值越靠近工作面煤壁, 顶煤的破坏过程越短、顶煤的变形、位移越小。
根据对放顶煤工作面的现场观测, 单向抗压强度越大, 顶煤越硬, 顶煤垮落角越小。由顶煤的冒落规律可知, 对于全兴煤矿8煤层而言 (f≥3.5) , 参考上述实测值, 煤层强度对顶煤冒放性的影响较大, 对顶煤的放出不利, 冒落大块煤多, 可放性较差, 需采取顶煤预破碎等措施方能顺利放出。
煤层赋存深度直接影响着原岩应力大小, 同时也影响着回采面四周围岩内支承压力峰值的大小。从这个意义上讲, 煤层赋存深度对放顶煤普放面的顶煤破坏破碎效果有决定性的影响。普放面采场煤壁前方顶煤受超前支承压力作用, 预先发生变形、破碎直至松散, 是顶煤能顺利放出的先决条件。
可见, 正因为受采动后支承压力的作用, 顶煤煤体才有可能超前变形、破碎, 煤层赋存深度是影响顶煤冒放性的一个重要因素。
针对全兴煤矿开采条件而言, 8煤层的平均埋深约为144.8m, 煤层的单向抗压强度约为25MPa, 可保证顶煤在开采过程中在矿山压力的作用下发生破坏, 进而垮落、冒放、回收。从采深即赋存深度看, 8煤层具有良好的冒放性。
一般岩体都不同程度地含有地质弱面和构造, 比如层理、节理、裂隙、断层及褶皱等, 煤层更是如此。这些弱面将严重削弱岩体的强度而增加岩体的变形性。根据在现场的观测研究, 对普放工作面顶煤冒放性影响最大的地质弱面是煤的节理、层理和裂隙。显然节理裂隙发育的煤层, 煤体的完整性较差, 整体强度下降, 顶煤在支承压力作用下易于破碎, 同时, 裂隙越密集, 顶煤越易破碎、冒放块度越小, 越利于放出, 也即顶煤冒放性越好, 反之则越差。
根据井下开采实践观测勘察, 8煤层煤体节理裂隙不够发育, 煤的单轴抗压强度一般相对较大, 顶煤节理裂隙对顶煤冒放性将产生一定的影响, 冒放性较差。
对上述顶煤冒放性进行分类是研究顶煤冒放性能的结果, 是对顶煤冒放性预测的需要。因此, 对顶煤冒放性的分类必须符合我国放顶煤开采技术的发展现状, 并以所取得的实际效果为基础数据, 再结合模糊聚类分析所得样本的归类趋势, 本着有利于实践中容易对类别进行区分与应用的原则。
根据顶煤冒放性的分类结果分析, 该矿顶煤强度较大 (f<3) 可放性较差 (4类) , 顶煤垮落角约为30°, 顶煤垮落角一般在自然状态下顶煤将滞后垮落, 节理裂隙不很发育, 夹石层较硬, 直接顶较薄, 需采取顶煤预破碎等措施方能顺利放出。
煤层顶板包括两部份, 即直接顶和老顶。直接顶影响着顶煤的冒落运动过程, 能够随采随冒并具有一定的厚度的直接顶是放顶煤开采顶煤破碎冒落后顺利放出的基本条件, 老顶对顶煤冒放性的影响相对较小。直接顶滞后冒落或冒落厚度较小, 都将造成破碎冒落的顶煤垮向放出体以外的采空区, 造成顶煤不能放出而丢失。所以直接顶对顶煤冒放性的影响表现为两个方面一是要能随采随冒;二是冒落后要有一定的厚度即对采空区的充填程度。根据相似模拟试验, 普放开采要求能随采随冒直接顶的最低厚度如下。
就全兴煤矿开采条件而言, 能随采随冒分层厚度之和Σh为4.0/1.2=3.33, 而直接顶厚0.3m~5.0m, 属中等稳定顶板。老顶厚0~4.99m, 属再生顶板, 可保证放顶煤开采过程中对采空区充填程度的要求, 顶板具有较好冒放性。
采放高度比即工作面放煤高度与采煤高度之比, 它对顶煤冒放性的影响反映在两方面:一是采面支架的反复支撑对顶煤的破碎作用, 现场观测和有限元计算结果表明, 工作面支架对顶煤的破碎作用范围一般仅限于支架上方的2m左右范围, 再向上则所受影响很小, 从这个意义上讲, 采放高度比越小即顶煤厚度越大, 顶煤的冒放性越差;另一方面采放高度比影响着顶煤冒落充分松散空间条件, 顶煤只有充分破碎冒落时, 才有利于其回收。
工作面长度对顶煤的冒放性有着明显的影响。一般来讲, 工作面越长越有利于顶煤冒落, 而由于煤层赋存条件所限制, 放顶煤工作面长度布置仅有10m, 工作面越短两端损失所占比例越大, 煤层越厚, 两端损失所占比例也越大。给放顶煤顶煤充分破坏冒落产生一定的负面影响。
放顶煤开采工作面的推进速度对顶煤的破碎程度有一定的影响。由于顶煤破坏过程带有流变性质, 工作面推进速度快, 前方的支承压力对顶煤的作用时间短, 顶煤的破碎程度低;工作推进速度慢, 则前方支承压力对顶煤作用时间长, 顶煤破碎程度高, 有利于顶煤的充分放出。但是, 对于松软煤层, 顶煤提前过分破碎对工作面端面内顶煤的控制十分不利, 一般要加快工作面推进速度, 以缩短支承压力作用在顶煤上的时间, 便于控制;对于硬煤工作面而言, 较慢的工作面推进速度对顶煤的破碎是有利的。因此, 硬煤工作面应加大工作面长度, 使推进速度减慢;软煤工作面可相应减小工作面长度, 加快推进速度。对该工作面属中等硬度煤层来讲, 应加快工作面的推进度, 有利于防止煤炭自然发火的发生。
通过以上对该矿8煤层冒放性的定性和定量分析, 煤层冒放性属可放性差 (4类) , 不利于顶煤的充分破坏, 影响顶煤放出效果。在保证工作面端面稳定及防止煤壁片帮的情况下, 需采取顶煤预破碎等措施, 以提高顶煤的破坏, 以达到良好的放出效果。
受放顶煤开采技术自身的优越性和装备的不断完善, 从本质上来讲放顶煤开采核心是顶煤依靠矿山压力垮落破碎流入工作面运输机内, 实际开采过程中, 必须对放顶煤开采工作面制定防止采空区悬顶的措施, 如顶煤部分不能自然垮落, 就要进行人为弱化处理, 使顶煤在正常开采过程中自然垮落。目前, 顶煤弱化处理基本有两大类:注水和爆破。
实践表明, 两种顶煤弱化处理方法在不同的矿区都得到了良好效果。根据当前该矿井型较小, 技术条件薄弱及现有设备无法满足注水软化、压裂顶煤进行弱化处理。故, 如遇有需顶煤弱化处理采取爆破方法进行时, 必须按规定处理顶板和顶煤, 采用预裂爆破对坚硬顶板或者坚硬顶煤进行弱化处理时, 必须在工作面未采动区进行并制定专门的安全技术措施。严禁在工作面上、下隅角爆破落煤和在工作面内采用炸药爆破方法处理顶煤、顶板及卡在放煤口的大块煤炭和矸石。对于坚硬煤层普放开采, 顶煤仍是以支承压力压裂破煤自重放煤为主, 预爆破弱化顶煤为辅。
厚煤层开采, 对于小煤矿而言, 普 (炮) 采放顶煤是一种行之有效、较为先进的采煤工艺, 无论从资源回收、经济效益等方面, 都远胜于由巷道壁式开采, 是小煤矿建设高产高效矿井的必由之路。
通过对全兴煤矿8煤层冒放性分析, 顶煤自然冒放性属于一般较差, 若实现工作面的高产高效, 就必须对顶煤进行弱化处理。
摘要：本文分析了普采放顶煤的冒放性, 详细论述了煤层强度、煤层赋存深度、顶煤节理裂隙、顶板条件、采放高度比、工作面长度以及工作面推进速度对冒放性的影响。并提出实现放顶煤高产高效的技术措施。
关键词：顶煤冒放性,煤层强度,煤层赋存深度,顶煤节理裂隙,顶板条件
[1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1992
[2] 中国矿业学院瓦斯组.煤与瓦斯突出的防治[M].北京:煤炭工业出版社, 1979
[3] 张子敏.瓦斯地质规律与瓦斯预测[M].煤炭工业出版社, 2005
