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摘要：放顶煤开采方法是厚及特厚煤层采煤方法及工艺的重大改革，具有高产、高效、高块率、低掘进率、低成本、安全、系统简单和经济效益好等特点，因此在主要产煤国家得到广泛应用。近年来，放顶煤开采也带来了一些新的问题，如煤炭回收率的降低以及顶煤的贫化等问题。为了从根本上解决这些问题，有必要深入研究放顶煤开采顶煤控制技术。
关键词：放顶煤开采；控制技术；研究
Abstract: the top coal caving mining method is a major reform in thick coal mining method and process of coal seam thickness and with high yield, high efficiency, high block, low rate, low cost, safety, the tunneling rate, simple system and economic benefits of good features, so it is widely used in the major coal producing countries. In recent years, coal mining has brought some new problems, such as the coal recovery rate and decreasing the dilution of top coal etc.. In order to fundamentally solve these problems, it is necessary to study the control technology of top coal caving mining.
Keywords: caving mining; control technology; research
中圖分类号：TD82 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）
1前言
放顶煤开采法由来已久。法国、前苏联、南斯拉夫等国家于2O世纪4O年代末50年代初，即开始用放顶煤开采法。1957年，苏联首次在库兹巴斯煤田采用放顶煤开采法，借助KTY型掩护式液压支架开采倾角为50～180、厚度为9～12m 的厚煤层。工作面先采顶部煤、铺底网，然后沿煤层底板开采，在工作面向中间煤层打眼放炮，崩酥中间煤体，在通过KTY型支架顶梁上的天窗放人工作面运输机运出工作面。后因工艺复杂、金属材料消耗量大、效果不理想而未能大量推广。放顶煤开采从原则上讲，无疑是能够实现高产高效的，但要实现这一优势，也有很大难度，存在着各方面的问题。如前所述，国外放顶煤开采由热变冷的过程，除了一些社会因素外， 主要的原因还是在于没有从根本上找到克服这些难点的方法。放顶煤开采的优势，是能在不同的条件下，实现不同水平的，但却是前所未有的高产量、高效率和高效益，把厚煤层的储量优势充分转变为技术经济优势。
2 放顶煤开采工艺流程
从工艺角度上，把综放工艺系统分为顺序作业和平行交叉作业两种方式，见图1、图2、表
图1 顺序作业逻辑
图2平行交叉作业逻辑
表1 两种作业方式比较
3 顶煤控制技术的研究
3．1 放顶煤工作面顶煤的稳定性分析
放顶煤工作面顶煤的稳定性是由上覆岩层的运动状态、自身的物理力学性质以及支架的性能决定的。随着工作面的回采，顶煤在上覆岩层和支架的共同作用下，其应力状态与强度将随之变化。当上覆岩层处于相对稳定阶段时，工作面煤壁前方的支承压力与煤体内水平应力，将在煤体内产生剪应力作用。当应力圆与强度包络线相切时，顶煤发生强度破坏，进入塑性变形状态。随着工作面的不断推进，顶煤中的裂隙进一步发育，被这些裂隙和层理切割的块体煤之间由于支架的支撑作用和相互间的挤压作用而暂时处于假塑性结构状态，该结构基本上不能承受拉应力的作用，随支架后方顶煤的放出及移架，约束被解除，结构失稳，顶煤便发生垮落。当上覆岩层处于显著运动阶段时，老顶的断裂及回转将对顶煤的稳定性产生很大的影响。老顶断裂时的应力集中将加速顶煤的剪切破坏；断裂后的回转，在顶煤的上部产生拉应力区，在下部产生压应力区。
当压应力区内的顶煤出现剪切破坏后，往往形成煤壁附近下位顶煤的破碎，易出现端面冒落。当压应力区与拉应力区连通时，拉应力区内已破坏的顶煤也会随着冒落。显然，老顶的回转角越大，拉应力区和压应力区的范围就越大，其相应的破坏程度也越大，顶煤的稳定性也就越差。随着回采的不断进行，支架也在“支撑一卸载一前移一再支撑”的过程中交替对顶煤施加压力，这种力对工作面顶煤主要产生剪切和拉伸破坏作用。
3．2 放顶煤工作面支架一围岩关系
工作面顶煤的冒落是支架一围岩(顶煤、顶板)共同作用的结果，如上述分析，支架上方的顶煤强度一般己经降低，不能有效地传递支架与上覆岩层的相互作用，加上支架本身的结构特点，始终处于“支撑一卸载一再支撑”状态，造成支架一围岩关系恶化。
据现场观测研究，往往由于以下原因引起支架一围岩关系恶化。
1) 支架初撑力过低。经矿压观测，初撑力平均不足30 kN／柱，使支架不能对出露的顶煤垂直位移进行有效的限制，往往造成工作面顶煤破碎、离层，有时还出现顶煤与直接顶或直接与老顶间的离层。离层一旦出现，顶煤上的支承压力向前伸展并明显集中，将加剧其破碎，使煤壁片帮。而且，在老顶来压时，容易产生冲击，压折支柱，将支架推向煤壁。
2) 支架反复支撑、卸载，造成实际工作阻力不高。悬移支架顶梁长度一般在2．5 m以上，从顶煤出露到垮落，要经历3～4次卸载、支撑作用过程，致使工作面下部顶煤相当破碎，当卸载时易形成坠包，从而影响支架阻力的升高。
当老顶断裂时在直接顶及顶煤中形成的断裂线随着工作面的推进外露，支架支撑力形成的反力矩就越来越小，从而使老顶破断岩梁的回转愈剧烈，导致对支架后部顶煤的载荷就越来越大，若此时放出已垮落的顶煤，而直接顶充填的并不严实，就可能导致切顶线处的顶煤破碎，结果将使顶板压力在顶梁上的作用点前移，出现顶梁低头的工作状态，顶煤与顶梁的实际接触点后移，从而导致端面顶煤的冒落。
当顶煤较硬时，其破坏的程度、范围要较松软时小一些。
3．3 顶煤的控制
松软煤层放顶工作面，由于上覆岩层引起的支承压力的作用，顶煤均较破碎，易形成局部冒落，特别是端面顶煤的冒落，所以，重点是如何控制顶煤的破碎。根据在柴里及石屯煤矿的实践，采取以下措施。
1) 支架要有足够的初撑力。悬移支架的初撑力，不仅仅可以形成对顶煤的充足支撑力，而且产生较高的摩擦阻力，可阻止顶煤的分离运动的发生和发展。
2) 支架带压前移，交互升柱，由于易形成坠包，所以，应采取带压前移的措施。
3) 不留底煤，支柱支在坚硬的底板上，辽源梅河矿曾为了增加支架的稳定性(倾斜煤层)，底部留有0．5～1 m厚的浮煤，这样既降低了煤炭回收率，又使支架阻力上不去，结果适得其反，反而影响了支架的稳定性，增加了不安全因素，因此，应尽量不留设底煤，使柱子支撑在底板岩层上，对于倾角较大的工作面，还应挖柱窝，增加支架的稳定性。
4) 控制放煤量，防止切顶线前移。观测表明，在放煤过程中，若顶板来压，顶煤出现指向采空区的强烈卸压运动。过量的放煤，易导致这种运动加剧，引起顶煤的超前松动，切顶线前移，后柱载荷减小，易引起支架“低头。”
3．4 提高工作面顶煤回收率的技术对策
1) 改善顶煤的物理力学性质，促使顶煤跨落放出。
2) 优选放煤参数与放煤方式，提高顶煤回收率。
3) 加强煤厚探测，提高顶煤松动效果。
4) 提高端部顶煤的可放性，减少端头损失。
5) 减少工作面初采和末采损失。
4 结束语
综放开采技术以其高产、高效和安全的综合优势，将在今后相当长的时间内，成为我国厚煤层开采的主要技术。但我国地域辽阔，厚煤层埋藏条件和开采条件的多样性决定了综放技术的层次性，不应该也不可能用一种或少数几种方法来解决所有问题；也不能完全用现有矿井的模式来容纳综放开采技术。新井的设计和老井的改造，应根据煤矿采煤技术的发展寻求与之相适应的，全新的矿井模式。
关键词：放顶煤开采；控制技术；研究
Abstract: the top coal caving mining method is a major reform in thick coal mining method and process of coal seam thickness and with high yield, high efficiency, high block, low rate, low cost, safety, the tunneling rate, simple system and economic benefits of good features, so it is widely used in the major coal producing countries. In recent years, coal mining has brought some new problems, such as the coal recovery rate and decreasing the dilution of top coal etc.. In order to fundamentally solve these problems, it is necessary to study the control technology of top coal caving mining.
Keywords: caving mining; control technology; research
中圖分类号：TD82 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）
1前言
放顶煤开采法由来已久。法国、前苏联、南斯拉夫等国家于2O世纪4O年代末50年代初，即开始用放顶煤开采法。1957年，苏联首次在库兹巴斯煤田采用放顶煤开采法，借助KTY型掩护式液压支架开采倾角为50～180、厚度为9～12m 的厚煤层。工作面先采顶部煤、铺底网，然后沿煤层底板开采，在工作面向中间煤层打眼放炮，崩酥中间煤体，在通过KTY型支架顶梁上的天窗放人工作面运输机运出工作面。后因工艺复杂、金属材料消耗量大、效果不理想而未能大量推广。放顶煤开采从原则上讲，无疑是能够实现高产高效的，但要实现这一优势，也有很大难度，存在着各方面的问题。如前所述，国外放顶煤开采由热变冷的过程，除了一些社会因素外， 主要的原因还是在于没有从根本上找到克服这些难点的方法。放顶煤开采的优势，是能在不同的条件下，实现不同水平的，但却是前所未有的高产量、高效率和高效益，把厚煤层的储量优势充分转变为技术经济优势。
2 放顶煤开采工艺流程
从工艺角度上，把综放工艺系统分为顺序作业和平行交叉作业两种方式，见图1、图2、表
图1 顺序作业逻辑
图2平行交叉作业逻辑
表1 两种作业方式比较
3 顶煤控制技术的研究
3．1 放顶煤工作面顶煤的稳定性分析
放顶煤工作面顶煤的稳定性是由上覆岩层的运动状态、自身的物理力学性质以及支架的性能决定的。随着工作面的回采，顶煤在上覆岩层和支架的共同作用下，其应力状态与强度将随之变化。当上覆岩层处于相对稳定阶段时，工作面煤壁前方的支承压力与煤体内水平应力，将在煤体内产生剪应力作用。当应力圆与强度包络线相切时，顶煤发生强度破坏，进入塑性变形状态。随着工作面的不断推进，顶煤中的裂隙进一步发育，被这些裂隙和层理切割的块体煤之间由于支架的支撑作用和相互间的挤压作用而暂时处于假塑性结构状态，该结构基本上不能承受拉应力的作用，随支架后方顶煤的放出及移架，约束被解除，结构失稳，顶煤便发生垮落。当上覆岩层处于显著运动阶段时，老顶的断裂及回转将对顶煤的稳定性产生很大的影响。老顶断裂时的应力集中将加速顶煤的剪切破坏；断裂后的回转，在顶煤的上部产生拉应力区，在下部产生压应力区。
当压应力区内的顶煤出现剪切破坏后，往往形成煤壁附近下位顶煤的破碎，易出现端面冒落。当压应力区与拉应力区连通时，拉应力区内已破坏的顶煤也会随着冒落。显然，老顶的回转角越大，拉应力区和压应力区的范围就越大，其相应的破坏程度也越大，顶煤的稳定性也就越差。随着回采的不断进行，支架也在“支撑一卸载一前移一再支撑”的过程中交替对顶煤施加压力，这种力对工作面顶煤主要产生剪切和拉伸破坏作用。
3．2 放顶煤工作面支架一围岩关系
工作面顶煤的冒落是支架一围岩(顶煤、顶板)共同作用的结果，如上述分析，支架上方的顶煤强度一般己经降低，不能有效地传递支架与上覆岩层的相互作用，加上支架本身的结构特点，始终处于“支撑一卸载一再支撑”状态，造成支架一围岩关系恶化。
据现场观测研究，往往由于以下原因引起支架一围岩关系恶化。
1) 支架初撑力过低。经矿压观测，初撑力平均不足30 kN／柱，使支架不能对出露的顶煤垂直位移进行有效的限制，往往造成工作面顶煤破碎、离层，有时还出现顶煤与直接顶或直接与老顶间的离层。离层一旦出现，顶煤上的支承压力向前伸展并明显集中，将加剧其破碎，使煤壁片帮。而且，在老顶来压时，容易产生冲击，压折支柱，将支架推向煤壁。
2) 支架反复支撑、卸载，造成实际工作阻力不高。悬移支架顶梁长度一般在2．5 m以上，从顶煤出露到垮落，要经历3～4次卸载、支撑作用过程，致使工作面下部顶煤相当破碎，当卸载时易形成坠包，从而影响支架阻力的升高。
当老顶断裂时在直接顶及顶煤中形成的断裂线随着工作面的推进外露，支架支撑力形成的反力矩就越来越小，从而使老顶破断岩梁的回转愈剧烈，导致对支架后部顶煤的载荷就越来越大，若此时放出已垮落的顶煤，而直接顶充填的并不严实，就可能导致切顶线处的顶煤破碎，结果将使顶板压力在顶梁上的作用点前移，出现顶梁低头的工作状态，顶煤与顶梁的实际接触点后移，从而导致端面顶煤的冒落。
当顶煤较硬时，其破坏的程度、范围要较松软时小一些。
3．3 顶煤的控制
松软煤层放顶工作面，由于上覆岩层引起的支承压力的作用，顶煤均较破碎，易形成局部冒落，特别是端面顶煤的冒落，所以，重点是如何控制顶煤的破碎。根据在柴里及石屯煤矿的实践，采取以下措施。
1) 支架要有足够的初撑力。悬移支架的初撑力，不仅仅可以形成对顶煤的充足支撑力，而且产生较高的摩擦阻力，可阻止顶煤的分离运动的发生和发展。
2) 支架带压前移，交互升柱，由于易形成坠包，所以，应采取带压前移的措施。
3) 不留底煤，支柱支在坚硬的底板上，辽源梅河矿曾为了增加支架的稳定性(倾斜煤层)，底部留有0．5～1 m厚的浮煤，这样既降低了煤炭回收率，又使支架阻力上不去，结果适得其反，反而影响了支架的稳定性，增加了不安全因素，因此，应尽量不留设底煤，使柱子支撑在底板岩层上，对于倾角较大的工作面，还应挖柱窝，增加支架的稳定性。
4) 控制放煤量，防止切顶线前移。观测表明，在放煤过程中，若顶板来压，顶煤出现指向采空区的强烈卸压运动。过量的放煤，易导致这种运动加剧，引起顶煤的超前松动，切顶线前移，后柱载荷减小，易引起支架“低头。”
3．4 提高工作面顶煤回收率的技术对策
1) 改善顶煤的物理力学性质，促使顶煤跨落放出。
2) 优选放煤参数与放煤方式，提高顶煤回收率。
3) 加强煤厚探测，提高顶煤松动效果。
4) 提高端部顶煤的可放性，减少端头损失。
5) 减少工作面初采和末采损失。
4 结束语
综放开采技术以其高产、高效和安全的综合优势，将在今后相当长的时间内，成为我国厚煤层开采的主要技术。但我国地域辽阔，厚煤层埋藏条件和开采条件的多样性决定了综放技术的层次性，不应该也不可能用一种或少数几种方法来解决所有问题；也不能完全用现有矿井的模式来容纳综放开采技术。新井的设计和老井的改造，应根据煤矿采煤技术的发展寻求与之相适应的，全新的矿井模式。