[摘要]綜采放項(xiàng)煤是我國(guó)煤礦厚煤層開采技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，可以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的目標(biāo)，已被人們所共識(shí)。本文在總結(jié)綜采放頂煤實(shí)踐成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)實(shí)用礦山壓力理論的有關(guān)研究成果，對(duì)綜采放項(xiàng)煤工作面的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立、煤炭回收率、災(zāi)害防治等問題進(jìn)行了探討，明確指出深化放頂煤開采的頂板活動(dòng)和礦山壓力的研究，為放頂煤開采的應(yīng)用條件選擇、合理巷道布置和開采程序設(shè)計(jì)以及巷道和工作面支架選型等提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，是當(dāng)前發(fā)展的關(guān)鍵。
[關(guān)鍵詞]放項(xiàng)煤綜采?采場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型?內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)?資源回收率
??? 進(jìn)入七十年代，特別是最近兩年來，我國(guó)潞安、兗州等現(xiàn)代化礦務(wù)局放頂煤綜采工作面發(fā)展迅速，效益突出。放頂煤開采將成為我國(guó)煤礦厚煤層開采技術(shù)發(fā)展的重要(甚至是全局性)方向的認(rèn)識(shí)，已經(jīng)逐漸被人們接受，厚煤層放頂煤開采技術(shù)發(fā)展的高潮已經(jīng)到來，為了防止一轟而上，克服盲目性，盡可能減少偏頗和失誤，加強(qiáng)放頂煤有關(guān)開采技術(shù)(特別是放頂煤巖層活動(dòng)和礦山壓力規(guī)律)的深入研究，為放頂煤開采合理?xiàng)l件選擇、合理巷道布置和開采程序設(shè)計(jì)、巷道支護(hù)和維護(hù)方式選擇、工作面回采工藝裝備特別是支架選型和阻抗力等參數(shù)設(shè)計(jì)等提供理論基礎(chǔ)已成為刻不容緩的任務(wù)。
1放頂煤綜采的實(shí)踐成果及發(fā)展關(guān)鍵
??? 潞安礦務(wù)局王莊礦1989年應(yīng)用綜放技術(shù)，目前采用雙運(yùn)輸機(jī)、收尾梁支架低位放頂煤的工藝.平均月產(chǎn)超過20萬t，平均日產(chǎn)超過7000t，曾達(dá)到月產(chǎn)30萬t、日產(chǎn)15186t的高產(chǎn)水平，回采工效達(dá)到104t/工，工作面效率高達(dá)145t/工，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目標(biāo)。
??? 兗州礦務(wù)局自1989年由山東礦業(yè)學(xué)院礦壓研究所根據(jù)煤層賦存條件提出可放性論證報(bào)告后，局礦組成了綜放領(lǐng)導(dǎo)小組和工作組，在全國(guó)調(diào)研的基礎(chǔ)上從1992年6月開始實(shí)踐。目前，興隆莊、鮑店、南屯、東灘都有綜放工作面生產(chǎn)，并均達(dá)到了高產(chǎn)高效之目的。1993年全局綜放工作面平均月產(chǎn)超過18萬t，最高月產(chǎn)達(dá)240850t，平均日產(chǎn)都在7000t以上，直接噸煤成本下降13元，其下降幅度超過50％，回采工效提高一倍以上.有關(guān)高產(chǎn)高效綜放面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1所示。兗州局綜放實(shí)踐在實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效目標(biāo)的同時(shí)，還在擴(kuò)大綜放條件和解決相應(yīng)技術(shù)難題方面取得了下列突破性進(jìn)展:
??? ①已采頂分層網(wǎng)下綜放取得成功。
??? 在網(wǎng)下綜放工作面巖層活動(dòng)和支承壓力分布特征及規(guī)律、支架圍巖關(guān)系以及解決硬煤破碎等研究方面取得了重要的進(jìn)展。
??? 鮑店礦1303網(wǎng)下綜放工作面達(dá)到了穩(wěn)產(chǎn)的目標(biāo).月產(chǎn)超過了19萬t.回收率超過了80％，成本比分層綜采下降5 0％.回采工效達(dá)70t/工.頂板運(yùn)動(dòng)狀況如圖1所示。網(wǎng)下綜放成功.提高了工作面回收率，為不出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)(煤壁不能超前破壞)的煤層.厚度超過10m以上的特厚煤層以及直接頂不能隨移架及時(shí)冒落的煤層進(jìn)行綜放。并實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效、高回收率的目標(biāo)開辟了廣闊的前景。
??? ②“孤島”煤綜放實(shí)現(xiàn)了安全、高產(chǎn)、高效的既定目標(biāo)。
??? 南屯礦“孤島”工作面綜放平均日產(chǎn)超過7000t的實(shí)踐證明，完全可以采用跳采程序安排采掘關(guān)系、實(shí)現(xiàn)在穩(wěn)定的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)中送道解決回采工作面接續(xù)和巷道穩(wěn)定問題，達(dá)到進(jìn)一步提高采區(qū)回收率的目的。南屯礦“孤島”煤放頂煤工作面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)如圖2所示。
總之.經(jīng)過數(shù)十個(gè)局礦綜放面開采實(shí)踐。可得到下列一些共識(shí):
①采用綜采放頂煤技術(shù)開采厚煤層.是當(dāng)前國(guó)內(nèi)設(shè)備條件下實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的一個(gè)重要發(fā)展方向;
②采用綜放開采技術(shù)，減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)及輔助設(shè)備和較大幅度降低巷道掘進(jìn)和維護(hù)工作量.減少了工作面?zhèn)€數(shù).實(shí)現(xiàn)了煤礦井下的集中生產(chǎn)和安全生產(chǎn);
③在弄清綜放而頂板活動(dòng)規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過采用正確的開采程序和回采工藝、優(yōu)化開采設(shè)計(jì)等措施，是可以保證達(dá)到符合要求的回收率這一目標(biāo)的;
④現(xiàn)有的安全技術(shù)措施對(duì)于防治瓦斯、降低煤塵以及抑制發(fā)火是有效的，安全能夠保證;
⑤相對(duì)分層綜采而言，綜放工作面對(duì)于煤層的厚度和傾角變化以及通過斷層等構(gòu)造有更大的適應(yīng)能力，因此比分層綜采更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。在一定程度上可以說，放頂煤為厚度、傾角變化復(fù)雜的煤層開采機(jī)械化創(chuàng)造了前景。
??? 當(dāng)前推廣綜放工作必須回答的兩個(gè)關(guān)鍵問題:一個(gè)是保證安全開采的條件問題;一個(gè)是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效并保證較高回收率的條件問題。
??? 研究和實(shí)踐證明，綜放工作面安全高產(chǎn)以及保證較高回收率是有條件的.包括相應(yīng)的煤層和頂?shù)装鍡l件、相應(yīng)的開采程度和巷道布置，相應(yīng)巷道和回采工作面支護(hù)(包括支護(hù)方式、支架形式和阻抗力等)以及放煤工藝等。目前我國(guó)有的綜放工作面，在沒有搞清采場(chǎng)支承壓力分布的情況下，錯(cuò)誤的采用了煤柱護(hù)巷方案，造成了產(chǎn)量低、推進(jìn)速度緩慢、巷道維護(hù)極端困難的惡性循環(huán)。有的工作面因?yàn)轫斆悍挪幌聛?，被迫采用危險(xiǎn)的架后爆破措施等情況。這都是因?yàn)閷?duì)綜放條件缺乏認(rèn)識(shí)，盲目從事的結(jié)果。
??? 要正確回答保證高效益綜放條件問題，離開了具體煤層條件下，煤及巖層運(yùn)動(dòng)和礦山壓力分布顯現(xiàn)規(guī)律的研究，以及通過正確的開采決策進(jìn)行控制可能性的研究，用“煤層硬”、“頂板堅(jiān)硬”這些相互孤立的要素進(jìn)行概括是不行的。同樣，實(shí)現(xiàn)安全開采.即不出現(xiàn)沖擊地壓、瓦斯煤層突出等重大事故的條件，也不能簡(jiǎn)單的從“采高大，因此壓力大、危險(xiǎn)大”等想象出發(fā)。只有在對(duì)放頂煤開采煤層及頂板活動(dòng)規(guī)律和礦山壓力分布顯現(xiàn)特征。及通過正確的開采設(shè)計(jì)決策進(jìn)行控制的可能性進(jìn)行客觀分析之后，才能作出正確的結(jié)論。
2放頂煤綜采條件研究的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型
??? 如前所述，什么條件適合“綜放”，并保證安全和達(dá)到高產(chǎn)高效的目標(biāo)，不能用煤層硬度、開采深度及頂板等條件簡(jiǎn)單的回答。必須抓住在該開采條件下，巖層運(yùn)動(dòng)和礦山壓力顯現(xiàn)特點(diǎn)及控制的可能性這個(gè)實(shí)質(zhì)和關(guān)鍵.因此，建立符合客觀實(shí)際的綜放采場(chǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，是正確進(jìn)行“綜放”條件研究的基礎(chǔ)。
??? 提供回采工作面和巷道礦山壓力控制等開采設(shè)計(jì)決策及進(jìn)行開采條件分析的完整采場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型所包含的內(nèi)容如下:
??? ①需控制的巖層結(jié)構(gòu)組成及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(包括結(jié)構(gòu)厚度及跨度等);
??? ②結(jié)構(gòu)邊界及相應(yīng)的支承條件;
??? ③支承反力的大小和分布。
??? 正常開采情況下，煤壁的支承壓力作用下超前破壞的采場(chǎng)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。
??? 結(jié)構(gòu)模型中需要控制的巖層范圍，一般由采空區(qū)已垮落的巖層組成的“直接頂”(圖3中a所示)和運(yùn)動(dòng)明顯影響采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的“傳遞巖梁”所組成的“老頂”(圖3中b所示)等兩部分組成。
??? 直接頂?shù)暮穸萴i可由下式求出:
??? 式中h為采高(工作面一次采出的煤層厚度),SA及KA分別為巖梁觸矸點(diǎn)的沉降值和該處己冒巖層的碎脹系數(shù)。
當(dāng)老頂下位巖梁周期來壓步距C1和來壓完成時(shí)控頂距Lk處的頂板下沉量△hA已知時(shí)，可以按下式近似算出SA值代入式(1),推斷m2值。
?? 對(duì)于未開始推進(jìn)的工作面，當(dāng)已知上覆各巖層分層厚度(依煤層柱狀或石門剖面圖)，可按巖層失穩(wěn)冒落的條件，由下向上逐層推出既采高h(yuǎn)條件下的垮落巖層(即直接頂)總厚度mi值:
如各分層采高相同(hm=h)，則當(dāng)假頂完全壓實(shí)，即Kc≈1時(shí)，mnm=mc1,冒高值與開采頂分層時(shí)相同;但當(dāng)假頂未壓縮，即kc = kA時(shí)，mnm = nmc1，第n分層的冒高是第一分層冒高值的n倍。可見開采下分層時(shí)，假頂?shù)膲簩?shí)情況對(duì)冒高值大小有重大影響。