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。     

“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。     

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。     

基于随机介质理论的综放开采顶煤放出规律研究

为了进一步弄清综放开采顶煤放出规律,利用理论分析和数值模拟相结合的方法,对综放开采放煤过程中顶煤放出体的动态演化进行了研究,指出了传统椭球体理论分析顶煤放出体形态的局限性。研究结果表明:数值模拟所得顶煤放出体形态及其演化规律与理论分析结果吻合较好,证明将随机介质理论应用于分析综放开采放煤过程是可行的;放出体高度较小时,放出体呈尾梁切割类球形,传统椭球体理论的适用性较低,随着放出体高度的增加,放出体逐渐转化为尾梁切割类椭球状,其轴偏角逐渐减小;综放开采所放主要为尾梁后上方顶煤;同一放出体高度,周期放煤所放顶煤量较初始放煤多,轴偏角亦较初始放煤大。     

综放开采顶煤破碎放煤工艺参数优化研究

提高顶煤回收率是综放开采技术的关键,而顶煤的破碎程度及破碎后的充分放出对顶煤回收率有着重要影响。因此,研究厚煤层综放开采顶煤在不同工艺参数下的破坏机理、破碎程度及放出规律,对于实现综放开采工作面的高产高效具有重要意义。以王家岭煤矿2#煤层12309综放开采工作面为研究背景,通过理论计算与相似模拟实验相结合的方法,得出合理的放煤步距为0.865m,并在合理机采高度和放煤步距的基础上研究了不同放煤方式,得出一采一放为最合理的放煤工艺;最后,基于研究得出的放煤工艺参数对王家岭煤矿2#煤层12309综放开采工作面放煤进行数值模拟,其顶煤回收率和含矸率分别为90.6%、7.2%,考虑到现场放煤控制难易程度及工作面生产效率,确定出合理的放煤方式为单轮间隔放煤。     

小采放比综放开采顶煤放出特点

根据深孔基点位移和现场观测结果 ,分析了小采放比综放开采顶煤、直接顶的垮落特点及其对顶煤放出的影响 ,认为小采放比综放开采的顶煤回收率与顶板垮落特征和冒落煤矸块度比值有关     

基于BBR的特厚煤层综放开采放煤方式优化研究

合理的放煤方式是特厚煤层综放开采顶煤充分放出的关键。基于BBR研究体系,对特厚煤层综放开采的放煤方式进行了优化研究,提出了分段大间隔放煤方式;给出了特厚顶煤条件下合理放煤间隔的确定公式,并讨论了其关于破碎顶煤厚度、破碎直接顶厚度和松动体偏心率的敏感性;最后采用PFC数值模拟的方法比较了不同放煤方式的放煤效果。结果表明,与顺序放煤和普通间隔放煤方式相比,分段大间隔放煤方式扩大了可放出区域,减少了架间残煤,使顶煤采出率分别提高了18.2%和9.1%。     

平朔矿区综放开采顶煤放出规律试验研究

文章对平朔矿区综放开采的顶煤放出规律进行了研究,针对平朔4#煤、9#煤进行了顶煤放出的相似性模拟试验,得出了不同采放比、使用不同开采方式下顶煤放出含矸率及顶煤放出率的相对关系。通过实验数据分析,得出了平朔矿区综放开采的合理放煤工艺为一采一放。在现场实际放煤过程中,可将煤流中的矸石比例达到1/5作为终止放煤的依据。     

浅埋坚硬顶煤合理放煤工艺分析

为了提高浅埋坚硬特厚煤层综放开采顶煤放出率,以千树塔煤矿11301综放工作面为研究背景,采用数值模拟和现场试验方法对坚硬顶煤块体冒落结构、放煤工艺等进行了研究。结果表明:一刀一放顶煤放出率高于两刀一放,多轮放煤顶煤放出率高出单轮放煤。提出以提高顶煤放出率为落脚点,对放煤工艺进行优化,得到合理的放煤工艺为"一刀一放、多轮顺序"。     

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。     

综放工作面冒落顶煤放出控制

近年来我国综放开采技术取得了长足的进展。提高综放工作面采出率是备受关注的技术问题。研究顶煤冒落形态和顶煤放出控制,是进一步提高顶煤采出率的关键。分析了顶煤冒落形态的影响因素和冒落顶煤体的物理力学特性,在此基础上提出了顶煤放出的控制方法。     

综放工作面多放煤口协同放煤方法

针对当前综放工作面存在顶煤采出率低、混矸率高、放煤效率低等问题,提出综放工作面多放煤口协同放煤方法。根据给出的综放工作面多放煤口协同放煤方法的定义,以理论分析和数值模拟为手段,研究了多放煤口放煤条件下,起始放煤、中间放煤和末端放煤3个阶段的放煤方法和煤岩分界面特征,提出"多放煤口同时开启逆次关闭"的起始放煤方法。根据放煤口放煤的影响范围,以及顶煤冒落过程中的速度方程和顶煤颗粒移动方程,建立了多放煤口起始放煤方式的算法模型,理论上推导出起始放煤过程中放煤间隔时间差的计算方法,为起始放煤方法的应用提供了方法。通过分析综放工作面的特点,得出综放工作面顶板稳定性、瓦斯浓度、后部刮板输送机运输能力、粉尘浓度、工作面采放协调等是影响和限制放煤口数量的主要因素。以同忻煤矿8202综放工作面煤层条件为例,建立沿工作面方向的数值模拟模型,模拟并对比不同的单放煤口放煤方式和不同放煤口数量的多放煤口放煤的放煤规律、顶煤采出率和放煤效率,得出在多放煤口放煤条件下,放煤过程中的煤岩分界面相对平滑,顶煤采出率随同时打开的放煤口数量增加而增大。多放煤口放煤效率是单放煤口放煤效率的4～8倍,多放煤口放煤的顶煤采出率比单放煤口高5%左右。     

急倾斜顶底板处顶煤放出规律研究

论文对急倾斜水平分段放顶煤顶底板处的顶煤放出进行了试验研究,分析了三角煤损失及煤岩分界线的状态,以底板三角煤采出率的大小为依据,对合理顶煤分段高度的取值及合理放煤支架位置的布置进行了研究;以顶板处放煤后煤岩分界线的状态为依据,对顶板影响区的顶煤放出提出了放煤时间控制放煤口何时关闭,而非见矸关门。     

特厚煤层综放开采顶煤体“三带”放煤理论与应用

采用实验室实验、数值模拟、相似模拟和理论分析相结合的研究方法,对特厚煤层综放开采顶煤体破坏的演化过程进行了深入研究。结果表明:特厚煤层综放开采过程中,超前支承压力对中、下位顶煤体内裂隙的扩展和顶煤体的破坏起着关键性作用;控顶区内支架的反复支撑进一步加剧了下位顶煤体的破坏;控顶区后的冒落阶段,充分破碎的下位顶煤体能够随采随冒,中位顶煤体随着下位顶煤体的放出而成块状冒落,而上位顶煤体呈周期性滞后垮落。基于特厚顶煤体上、中、下位明显的不同破坏、冒落特征,提出了特厚煤层综放开采顶煤体"三带"结构模型,即自下而上分别为"散体带"、"块体带"、"裂隙梁带"。通过分析各带的破坏动力机制及其冒落特征,提出了分带厚度的确定方法。通过对同煤塔山煤矿特厚煤层综放开采顶煤体垮落形态实测,进一步验证并完善了"三带"结构模型。即:特厚煤层综放开采顶煤体一般存在"三带"结构,但在特定条件下可能只呈现"一带"或"两带",其形成过程主要与顶煤体厚度、煤体强度、煤体裂隙发育程度、地应力等因素有关。     

硬厚煤层综放开采顶煤弱化技术研究

通过硬厚煤层综放开采顶煤弱化技术的全面调研,确立不同开采条件的顶煤弱化工艺模式。结合现场工业性试验,验证架间爆破方案的可行性,指出存在的具体问题和今后发展方向。     

缓倾斜厚煤层综放开采顶煤采出率数值模拟

建立了缓倾斜厚煤层综采长壁放顶煤二维颗粒流模型(PFC2d,Particle Flow Code-2d),根据实际生产情况,设计了16个正交实验.通过对试验数据进行回归分析,得出了顶煤厚度、顶煤垮落角、放煤步距、支架尾梁摆角与顶煤采出率的关系;运用方差分析法,将4个因素对顶煤采出率影响的显著性进行了研究,得出了顶煤垮落角对顶煤采出率影响特别显著,顶煤厚度、支架尾梁摆角对顶煤回收率影响比较显著,放煤步距对顶煤采出率的影响显著性较小的结论.     

耿村煤矿综放开采顶煤运移与破碎特征

根据耿村矿 130 1综放工作面顶煤位移及风巷围岩变形观测结果 ,提出了耿村矿综放开采顶煤运移与破碎特征。     

特厚煤层大采高综放开采机采高度的确定与影响

为了确定大采高综放开采合理的机采高度,基于理论分析与数值模拟计算方法,研究了不同机采高度对支架工作阻力、顶煤冒放规律、煤壁稳定性的影响。研究结果表明：大采高综放开采机采高度的确定应充分考虑采放比、煤壁稳定性、矿压显现、顶煤采出率及设备投资等。支架所需支护强度、顶煤采出率、煤壁片帮程度与机采高度成正相关性,但并不是简单的线性关系。由于受顶煤赋存条件及采出率等因素影响,相同采高大采高综放开采煤壁片帮几率要高于大采高综采。大采高综放开采是煤炭开采技术的新突破,是实现特厚煤层安全高效开采的有效途径。     

较薄厚煤层综放开采顶煤岩运移破坏特征研究

采用FLAC3D数值模拟对较薄厚煤层综放开采顶煤岩力学特征进行了系统分析,得出了顶煤岩运移、破坏及应力分布规律.研究结果表明,综放面上部顶煤位移量明显大于工作面中下部,顶煤的"始动点"在工作面煤壁前方,工作面上位顶煤岩的始动位置超前于下位,垂直位移量随着与工作面距离的减小而逐步增加;在综放面前方,顶煤和上覆岩层在垂直方向始终处于压缩状态.而在工作面上方,顶煤开始出现离层现象;工作面支架所受载主要是顶煤和基本顶变形运动产生的变形压力,沿用中厚煤层综采工作面支架设计已不适用综放面.