“三软”复杂煤层放顶煤开采技术研究

关键词：三软；放顶煤；开采 
1  矿区概况
近年来我国的放顶煤工艺尤其是综放工艺发展迅猛。随后先后出现了单体支柱、滑移支架放顶煤。以首例：淮北“三软”煤层条件下的放顶煤开采为例介绍复杂煤层放顶煤开采技术。淮北矿区属于华北型全掩蔽式煤田，其矿区煤层赋存的条件非常复杂，地质条件复杂，各种序次的褶曲、断裂构造十分发达,且有不同程度的岩浆岩侵蚀现象。其中，山西组和下石盒子组是矿区主要含煤地层共含煤11层组，可采煤层的总厚度范围在4.8～18.5m之间。其中煤层普氏硬度系数f在0.2～1.5范围内，其中多数可采煤层的顶底板主要是泥岩、细砂岩及粉砂岩，少数为岩浆岩。煤层埋深范围多为-250～-550 m 之间, 煤层倾角在25°左右波动，局部较大，其中大多数煤层有自燃的可能,并存在爆炸危险，大多数矿井是高瓦斯矿井，其地层水文地质条件复杂。矿区煤层直接顶裂隙发育及破碎，暴露的部分很快会冒落；煤质松软，尤其是芦岭、某矿的8#层的煤层结构多数呈现鳞片状，煤层的抗压强度较弱，煤层的底板抗压强度也较低并且遇水时容易膨胀且软化，煤层多属于很有代表性的“三软”复杂煤层。矿区“三软”厚，有较厚可采煤层储量非常丰富。该矿区总量的22.2%的厚煤层属于可开采储量，而分层法开采是以往常用的开采方法，由于此法生产能力较低、生产成本较高、单位面积产量水平低、生产效率低而劳动强度大、同时生产接替较紧张，多种缺点使其难以满足目前激烈竞争的市场需要。因此，高产高效、集约化生产成为煤开采技术的发展趋势。自1997年进行试验并推广放顶煤开采工艺以来，集团公司不断加大力度对采掘煤矿工艺技术进行改革，目前已经有综采和轻放工作面各6个，高档普采和简易放顶煤工作面各4个，机采及放顶煤产量基本达到了1000万t/a。随着采掘机械化水平的不断提高和采掘工艺技术的不断革新, 开辟了“三软”复杂煤层条件下的高产高效新途径。
2  开采条件
以某矿为例，对某矿828-3面采用网格迈步式支架进行放顶煤的开采技术研究。
2.1  煤层赋存条件
828-3面处于某矿的二采区四区段，盖区段的煤厚平均为4.5米，走向范围98m，倾角平均在15°左右，面长范围45m，煤层普氏硬度系数f范围是0.47～0.51。底板是灰泥岩，其厚度为1.0m 的；顶板是再生顶板，为一、二分层铺网开采后形成的。回采过程中，有4 条断层，其落差在2.0m左右；煤尘的爆炸指数为38.6%，有一定的爆炸可能性，需要防范其爆炸危险性；其中一、二分层的开采释放了约80%的瓦斯，使其涌出量减小了；煤层的自然发火期大约为3～6个月，较短；没有水患的威胁。
2.2  支护条件
ZWM网格迈步式放顶煤支架被用于工作面采用的支护，支架形式的简单构造如图所示。这个支架是以淮北矿区“三软”的特点为依据进行设计的，这个支架可将几架或者全工作面联接形成网状结构的整体，其稳定性较强。其中端头是采用单体液压支柱与金属限位梁的密切配合进行支护的。ZWM网格迈步式支架的具体的架型和主要技术参数包括：初撑力大小为540kN/架，工作阻力1800kN/架；控顶距范围在 3.6～4.6m；支撑高范围在1.8～2.4m；翻转式的前探梁长度为0.7m，宽度为0.34m，上仰角是7°；支护强度范围是3600～4300kN/m2；移架步距范围在0.6～0.8m；支架和主副梁的中心距分别为1100mm和420mm。
3  主要技术难点及其关键点
3.1  关于主要技术难点
由于“三软”煤层的顶、帮、底都是软的，也就容易出现冒、漏、片、抽、等现象。于是就有相关的技术难点，比如顶煤能暴露的时间短的缘故使得煤层松软、裂隙大并且一次的采高大，使得顶板的压力传递向煤壁从而使得顶煤的完整性遭到破坏，使得采动裂隙加大了，而端面顶煤暴露的发生有可能诱发端面的冒顶；顶空：端面的冒顶及回采空间的漏顶以及放顶煤时抽顶都可能导致支架顶空，造成支架脱离主要的体系进而失去平稳，继而可能导致各种垮面事故相继发生，比如挤架、倒架、爬架等；底软：底板松软并且其抗压强度较弱变出现支柱钻底的问题。200～500mm左右是正常的单体柱钻底量。如果支架将提不起也迈不动则采空区冒矸的侧向压力的作用就会导致尾梁发生啃底现象，使其移架变得困难；片帮：松软的煤质，裂隙大且其支承压力较大，于是煤壁就蓉易出现片帮问题，并且片帮又会加大无支护的空间并进一步诱发端面冒顶问题。
3.2  关于主要的技术关键
在“三软” 复杂煤层条件下，放顶煤的开采的技术受到严峻的考验。其中关键的技术是关于怎样管理好顶煤、煤帮、底板的技术问题, 管理的支护应该同时兼顾支、护、稳的原则，简而言之，就是做到“以护为主，以支求稳”。应该以具体的技术难点和关键点为依据来制定一系列具有针对性和适用性的有效措施并执行，做到最大限度对可能的片、抽、漏、冒等潜在的事故进行及时有效的控制。具体措施如：加大煤壁及其端面的管理力度：对支架的顶梁前端进行翻转式前探梁的增设工作，在操纵液压系统时落煤后可以及时的进行护顶以防止端面发生冒顶的问题。而在移架后可以更好的支撑煤壁以防止其发生片帮现象。另外，落煤时必须尽可能减少甚至避免落煤破坏煤壁和顶煤，尽量保持煤壁和顶煤的完整性及其支承能力；尽量提升支护系统的刚度及强度：由于工作面的支护系统主要包括支架、底板及背顶材料三个部分，而决定“三软”复杂煤层放顶煤的开采成功与否的关键技术之一就是管理好底板。因此，必须以底板的比压为依据进行特制柱鞋的设计，尽量减少顶底板之间的移近量，尽量减少及防止支柱发生钻底问题，扩大支柱和底板之间的接触面积，确保支护系统强度和刚度足够高；还要尽量加大矿压的监控工作力度，尽量提高支柱的初撑力，加强支护系统的初撑强度和刚度，使其足够高；加大末排支柱的管理力度：对末排支柱的补液工作要在放顶煤前进行，尽量提高其支撑力并且要尽量加大顶煤垮落时的产生的摩擦力以防止放煤时抽空支架及其切顶线向前移动了；前柱向前倾斜：使支架指向煤壁的水平阻力足够大，尽量降低顶煤的拉应力，尽量减小和避免端面的冒顶及其煤壁的片帮问题；加大底板和尾梁的接触面积：可以将尾梁的末端向后进行折弯操作或者是增加滑撬板来加大底板和尾梁的接触面积，这样还能有效防止尾梁发生啃底，一方面保证放顶煤的安全空间，另一方面还能顺利移架；减少和避免煤尘发生自燃现象：可以通过对放煤口进行喷雾使煤矸湿润，另外可以将可拉伸的注浆管埋设在风巷内，能随时对采空区进行注浆以隔绝煤尘和氧气发生接触，进而有效地防止煤尘的自燃现象的出现。
参考文献
[1] 姜耀东, 陆士良, 巷道底鼓机理分析, 煤炭学报,1994,(4)p12-23.
[2] 陆士良、姜耀东, 支护阻力对软岩巷道围岩的控制作用, 岩土力学, 1998, VOL 19, N01, P1-6.
[3] 李伟. “三软”复杂煤层放顶煤开采技术[J]. 煤矿安全, 2002,3(33).
[4] 杜长胜. “三软”煤层放顶煤开采研究[J]. 矿山压力与顶板管理, 1999,2.