我国煤矿综放开采40年:理论与技术装备研究进展

综采放顶煤开采技术作为我国开采厚及特厚煤层的主要方法之一,其引入我国近40年来,放顶煤开采理论与技术实践在我国均取得了长足发展与进步。系统回顾与总结了我国在放顶煤技术领域所取得的标志性成就,结合综放工作面技术特征、理论演化逻辑与资源开采新理念,将其发展历程分为初期试验、发展成熟以及智能化无人开采3个阶段。主要针对综放采场支架与围岩关系以及顶板(煤)结构与稳定性、顶煤破碎运移放出规律、以及综放"三机"装备的进展4个方面核心内容,对我国综放技术的发展进行了总结;围绕综放采场支架与围岩关系以及顶板(煤)结构与稳定性问题,依据机采高度的变化描绘了我国学者关于该问题研究的基本历程;从顶煤破碎机理、综放采场顶煤冒放性分类评价以及顶煤放出规律理论3个方面,阐述了我国关于顶煤破碎运移放出规律的发展道路;放顶煤开采工艺研究方面,则从常规的综放工艺、特殊地质条件下综放工艺以及综放工序的时空配合关系展开,再现了我国学者的研究路线;同时简要阐述了综放"三机"装备的发展进程与最新成果。明晰了我国放顶煤技术的发展脉络与研究思路,分析并探讨了现阶段放顶煤开采理论与技术发展前沿的相关难题,为我国综采放顶煤技术的进一步发展提供了研究基础与思维启迪。     

开滦矿区复杂煤层综合机械化放顶煤开采技术

回顾了开滦(集团)有限责任公司复杂煤层综合机械化放顶煤开采的发展历程。介绍了放顶煤开采的3种类型，即一次采全厚放顶煤开采、预采顶分层网下放顶煤开采以及倾斜分段分层放顶煤开采。从中位放顶煤和低位放顶煤开采等方面分析了开滦集团公司在放顶煤开采技术上的探索、改革与发展过程以及在各个阶段所取得的成果，并着重阐述了特厚煤层低位放顶煤、厚煤层轻型支架放顶煤、急倾斜厚煤层微型支架放顶煤和大倾角特厚煤层放顶煤等低位放顶煤开采技术的结构与技术特征。最后介绍了开滦集团公司在生产过程中所积累的放顶煤开采工艺参数的选择以及放顶煤安全开采的影响因素等方面的研究成果。     

我国放顶煤开采的理论研究与实践

我国厚煤层地下开采产量占40%左右。近年来,特厚煤层综合机械化放顶煤开采在理论研究和实践方面都取得了一些重要的进展。本文对放顶煤开采时顶煤运动和矿压显现规律、放煤参数和放煤方式选择的依据、提高回收率的途径、放顶煤液压支架的现状及其评价、放顶煤开采的安全技术等主要问题作了广泛的介绍,以期读者对我国放顶煤开采的概貌有一个总的认识。     

综放开采顶煤变形及破断规律的分析研究

综放开采时,实现顶煤的破碎和顺利放出是放顶煤工作的核心问题,而顶煤的有效破碎又是顶煤放出的前提,同时又是支架选型的依据,并且也是衡量放顶煤效果的主要依据,因此有必要对顶煤的变形破坏机理进行系统分析研究。通过阅读大量有关资料,结合义马耿村煤矿的现场实测,并参考其他放顶煤工作面的观测成果,探讨了综放开采顶煤变形及破断规律。     

放顶煤工作面顶煤破碎机理研究

结合我国放顶煤开采的实践，对放顶煤工作面顶煤的破碎和移动规律及上覆岩层的活动规律进行了研究，指出了开采深度、煤层强度、支架支护强度及煤层厚度等是影响顶煤破碎和放顶煤效果的主要因素。同时指出了顶煤的破碎是顶煤与上覆岩层相互作用的结果，而支架仅起辅助破煤的作用。并在此提出了顶煤破碎分区。     

3.5～10 m大倾角煤层巷柱式放顶煤开采技术

借鉴我国急倾斜煤层水平分段综采放顶煤与巷道放顶煤开采技术,提出了3.5～10m大倾角煤层巷柱式放顶煤采煤法。对该采煤方法的巷道布置、阶段顶煤高度以及回采工艺进行了研究,形成了巷柱式放顶煤开采技术。     

滑移支架放顶煤工作面煤岩控制特点

本文结合我国使用滑移顶梁液压支架放顶煤开采的实践,采用有限元电算模拟和理论分析方法,对滑移支架放顶煤工作面顶煤的破碎和放出规律及其影响因素进行了研究。分析表明,顶煤的破碎是顶煤与上覆岩层相互作用的结果,支架仅起辅助破煤作用,而开采深度、工作面长度、煤层强度及结构等是影响顶煤破碎和放出效果的主要因素。在此基础上,对广西稔子坪煤矿滑移支架放顶煤开采中存在的问题进行了浅析,并提出了改进意见。     

放顶煤开采顶煤与顶板活动规律的研究

本文总结了三个放顶煤工作面顶煤、顶板活动规律的实测资料，认为顶煤、顶板的位移特征都可分为三个阶段，而且顶煤、顶板的分区区域基本接近，这对于研究放顶煤开采顶板活动规律以参考。     

放顶煤工作面顶煤运移规律研究

主要采用顶煤深基点观测法对综采放顶煤工作面顶煤活动规律进行了研究。通过现场实测的方法掌握了在放顶煤开采过程中顶煤的移动、断裂垮落规律;定量描述顶煤冒落位置、垮落范围等顶煤垮落特性,为研究放顶煤工作面顶煤的运移规律提供了可靠的实测依据。     

“两硬”厚煤层综放技术

介绍了大同煤田坚硬煤层及坚硬顶板特厚煤层条件下综放开采的生产条件、技术装备和综放中存在的技术问题。论述了“两硬”煤层放顶煤综采中顶煤破碎规律，分析了“两硬”条件综放开采技术问题解决的机理，从顶煤破碎、顶煤放出及顶板控制方面分析了支架的适应性，展望了“两硬”条件下综放开采技术发展及应用前景。     

综放开采顶煤放出规律的BBR研究

借助于自主研制的相似模拟实验台和PFC软件,系统研究了综放开采顶煤放出规律,建立了统一研究煤岩分界面、顶煤放出体、顶煤采出率和含矸率四要素的BBR研究体系。分析了煤岩分界面形态以及支架和移架对其影响,提出了可用抛物线拟合煤岩分界面。将放出体分为发育不完整、基本成熟和成熟3个发育阶段,发现了支架掩护梁影响会使放出体前部发育较快,始终超出椭球体范围的现象,指出顶煤放出体是一被支架掩护梁所切割的非椭球体,定义其为切割变异椭球体。为了提高顶煤采出率、降低含矸率,应尽可能地扩大放出体与煤岩分界面的相切范围,通过确定合理放煤工艺与参数,控制煤岩分界面形态来提高顶煤采出率是可行的措施。待放顶煤区域处于由采空区岩石与支架顶梁形成的拱形挤压力链的卸压区内,在放煤口附近顶煤易成拱。     

Control effect of fracture on hard coal cracking in a fully mechanized longwall top coal caving face

Through theoretical analysis, simulation test and practice, the law of a fracture’s influence on hard top coal press cracking was studied. The study focused on the relation between fracture and coal strength, top coal caving ability and work face layout. Based on the investigation of the fracture system, the control of press cracking was achieved by matching working face to fracture orientation to improve top-coal caving ability and recovery. The matching principle was pointed out: The top-coal caving working face should be perpendicular to or obliquely cross the primary fracture at a large angle, and cross the secondary fracture at a small angle. The rational match can increase the recovery ratio of top-coal and avoid rib spalling. The application of control technology on hard top coal press cracking was introduced at the longwall top-coal caving face. Supported by the Plan of Young Backbone Teacher of Henan Province; the Science and Technology Plan of China Coal Industry (MTKJ07-220); the Plan of Education Department of Henan Province (2007440004); the Plan of Science and Technology Department of Henan Province (072102240029); the Doctor Foundation of Henan Polytechnic University (648190)     

特厚坚硬煤层超大采高综放开采支架-围岩结构耦合关系

针对榆神矿区坚硬特厚煤层综放开采所面临的顶煤悬顶距长、冒放性差、采出率低和采放不协调等问题,探讨了机采割煤高度6. 0 m以上的超大采高综放开采可行性和必要性,分析超大采高综放开采支架-围岩耦合关系,在支架-围岩强度、刚度和稳定性耦合的基础上,提出超大采高综放开采支架-围岩结构耦合理论。从液压支架与围岩相互作用机理角度,阐释了支架-围岩支护系统"小结构"初次耦合主动支撑和"大结构"二次耦合被动承载概念和理论,分析了围岩"大、小结构"耦合对工作面围岩支护效果和适应性的影响,指出综采放顶煤液压支架结构设计除需满足"小结构"支护系统适应"大结构"周期性破断失稳形成的强动载矿压外,还需考虑液压支架结构(特别是放煤机构结构)对顶煤冒放运移规律和支架载荷演化过程的影响,通过支架结构与顶煤冒放结构耦合实现顶煤顺利放出,提高顶煤采出率。采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场调研等研究方法,分析了坚硬顶煤冒落和放出结构以及冒放过程的成拱机理,讨论了液压支架结构高度对矿山压力显现强度、顶煤冒放结构和资源采出率的影响,研究了放煤机构结构对顶煤成拱结构的影响,以及放煤机构结构对顶煤的二次破碎作用,提出了强力放煤机构结构改进和优化策略,并对破煤机理和效果进行探讨,以期为相似坚硬特厚煤层综放开采支架-围岩耦合提拱理论指导和借鉴。     

急倾斜极软厚煤层走向长壁综放开采技术研究

以峰峰集团山西大远煤业1201急倾斜工作面为背景,系统研究了急倾斜厚煤层走向长壁综放开采的基本问题,指出支架的合理设计是该类煤层成功开采的首要条件,支架设计要充分考虑急倾斜厚煤层综放开采的顶板活动规律,以工作面上部顶板的冲击载荷确定支架的工作阻力。同时急倾斜支架要有足够的抗侧向挤压能力,结合工作面采放工艺确定侧护板的抗挤压能力。急倾斜厚煤层综放开采的顶煤放出体与煤岩分界面具有明显的不对称性。结合顶煤放出规律、支架稳定性等综合确定采放工艺,提出“下行动态分段、段内上行放煤”的采放工艺,适用于急倾斜厚煤层走向长壁综放开采,可最大限度地减少采放过程中对支架的不利影响,并可获得较高的顶煤采出率。工作面安装前需对软弱底板进行加固。     

放顶煤开采煤与瓦斯突出煤层的探索

煤与瓦斯突出危险煤层的放顶煤开采有严格的法规限制，限制主要是从安全上考虑的。理论分析表明，放顶煤开采技术与分层开采技术相比，并不增加工作面的突出危险性。高瓦斯突出煤层的放顶煤开采是一个需要认真研究的课题。煤与瓦斯突出煤层的放顶煤开采不应由法规来禁止，而应通过大量的科学实验推动技术进步，达成工作面生产的安全高效。     

基于随机介质理论的综放开采顶煤放出规律

顶煤的放出特征对综放开采采出率和含矸率有重要影响。基于模型试验,考虑综放支架影响,首先拟合出顶煤沉降曲线极值点偏移公式,依据随机介质理论建立了煤矸分界线和顶煤放出体方程。结果表明:支架尾梁的限定作用和放煤口导致放出条件的突变对煤矸分界线及顶煤放出体形状有重要影响,煤矸分界线在远离支架处表现为较标准的漏斗曲线,靠近支架处渐变为凸型曲线,靠近放煤口处则表现为向尾梁方向勾折;放出体在放出高度较小时呈向尾梁后上方倾斜的不规则状,轴偏角较大,随着放出高度增加,放出体呈前下方被尾梁切割的变异类椭球体状,轴偏角减小并稳定为零,支架尾梁后上方顶煤是综放开采所放顶煤的主要组成部分。     

多夹矸近水平煤层综放开采顶煤三维放出规律

基于散体介质流理论的学术思想,采用三维散体相似模拟试验和数值模拟分析相结合的方法,对多夹矸近水平煤层综放开采煤矸放出体空间形态及顶煤采出率的三维分布特征进行了研究探讨。研究表明,多夹矸近水平综放工作面放煤量从上端头到下端头逐渐增加,含矸率相应降低,工作面下端头的放煤效率较高;顶煤采出率沿煤层走向分区呈动态演化过程,且沿煤层倾向具有周期性分布的特点;煤矸放出体体积随放煤高度增大呈幂函数关系增大;顶煤采出率和含矸率随放煤时间呈阶段性变化特征;采用间隔放煤有利于提高多夹矸煤层的顶煤采出率。     

综放开采顶煤放出散体介质流理论的试验研究

通过模拟试验，系统地研究了综放开采顶煤移动与放出规律、煤岩分界线形状，不同采放比、不同放煤步距、不同煤岩粒径比条件下的顶煤采出率与含矸率等，在理论上提出了顶煤采出率的预测方法．放煤的煤岩分界线为二次曲线，运用放煤前后分界线所围成的煤量减去放煤工艺损失量可预测放出煤量，采放比为1：2、“二刀一放”时，放煤效果较好．     

综放工作面过运煤公路下开采技术

为了解决公路下安全高效开采技术问题,将工程实践、岩移观测、数值计算、理论分析相结合,对黄土沟壑区开采沉陷特征及公路下开采技术进行了研究。结果表明:由于煤层埋藏浅,第四系冲积层厚度大强度低,覆岩破坏剧烈,导水裂缝带直达地表,综放回采初期在上下顺槽内侧和切眼外侧出现台阶裂缝,裂缝走向与回采边界平行,落差较小;煤层开采达到或超过充分采动后在回采边界岩体沿煤壁整体切落,地表出现大的台阶裂缝;地表台阶裂缝的出现受地形影响比较明显,边坡土体在重力作用和开采沉陷影响下,地表裂缝更加发育;路基下部的厚黄土层可吸收部分开采沉陷变形,对减轻公路破坏发挥了一定作用;可按台阶裂缝角划定公路保护煤柱,煤柱内不放煤,地表及时采取措施可实现公路的安全运行。研究成果为相似地质条件公路下煤矿开采提供了技术参考。     

综放面采放系统设备生产能力配套技术研究

采煤机割煤工序是综放工作面的关键工序,影响到综放工作面的产量和效益．当采煤机型号一定时,为了实现放顶煤工序和割煤工序最大限度地平行作业,提高综放面采煤机的开机率和工作面单产,建立了综放面采放系统设备生产能力配套模型,得到与采煤机割煤能力相适应的循环内平均放煤能力,且后部刮板输送机运输能力应大于循环内平均放煤能力．综放面采放系统设备生产能力配套模型在义马杨村煤矿轻型支架综放开采中得到验证,年产量达到1．05Mt,取得了较好技术经济效益．