论文部分内容阅读
[摘要] 根据内蒙古煤层厚、强度大的特点，如何提高煤炭资源回采率和工作面安全是坚硬特厚煤层采用综采放顶煤开采中必须很好解决的两个基本问题。本文对顶煤的变形和破坏发展过程进行了系统的分析，得出了综放开采顶煤破碎的机理，以坚硬特厚煤層放顶煤开采的条件为案例，研究了坚硬特厚煤层采用综采放顶煤方法开采时采用预先爆破弱化的工艺特点，坚硬顶煤预先爆破弱化的作用机理和基本规律。
[关键词] 放顶煤开采 坚硬厚煤层 预先爆破弱化
近年来随着坚硬特厚煤层应用综放开采的需要而在实践中逐渐形成和不断发展起来的一种新技术。尽管其已在实践中取得可喜成效，应用范围正在扩大，然而对坚硬顶煤预先弱化中的一些问题，如对顶煤“预先弱化”的理解、顶煤预先弱化的基本思想、预先弱化的实质等的认识却还很不深入，有些甚至存在歧义，对坚硬顶煤的含义、坚硬顶煤的识别方法和判定标准也探讨不多。本文将对综放开采坚硬顶煤预先弱化中的这些基本概念问题进行分析和论述。
1.概述
我国厚煤层资源十分丰富，其储量占总储量的45％，厚煤层矿井的产量一般为总产量的40-50％。因此，在我国发展与推广放顶煤开采技术，不但具有较好的煤层赋存条件，而且有降低成本，减轻工人劳动强度，提高劳动生产率等显著的技术与经济优势。放顶煤开采技术己经在我国取得了很大的成功，但在内蒙地区煤炭资源的逐步开发过程中，面对着新的资源赋存条件，突出的有以下几个问题需要得以解决：
1）煤层厚度过大
50年代国家大力推广放顶煤开采后，放顶煤开采技术取得了长中的发展，但是就煤层厚度而言，一般认为综采放顶煤技术适用于厚度小于15 m。对厚度大于15m的煤层，由于其矿压显现规律、顶煤冒放性等与一般的综放开采有很大差别，一般的规律在此不完全适应。
2）煤层硬度过大
综放开采技术在我国己经过了数十年的发展，在理论研究与工程应用方面己取得了巨大的成就，但是就煤层厚度而言，一般认为综采放顶煤技术适用于厚度小于15m，而我国有相当大一部分煤田的煤层厚度大于15m，本文的研究成果对指导15m以上特厚煤层综放开采，提高采出率，降低资源浪费，发展和振兴大型煤炭企业经济有着重要的参考价值。
2.坚硬顶煤的定义
坚硬顶煤是一个具有相对性的、模糊性的概念，但又是一个具有客观性的概念。
根据生产实践，坚硬顶煤一般具有下述基本特征之一：
1）煤体强度较高，其单轴抗压强度一般大于25MPa，节理裂隙不够发育；
2）煤体的强度不是很高（单轴抗压强度一般在15～25MPa），但其分层厚度大、节理裂隙不发育、完整性好，或埋藏深度较小（一般小于150m）；
3）煤层结构复杂，顶煤中存在厚度较大、稳定性较高的夹矸层或硬煤厚分层。
3.综放开采顶煤破碎机理
3.1 顶煤的变形破煤作用
1) 顶煤发生强度破坏前的破坏发展取决于支承压力的增大，强度破坏后的破坏发展则取决于变形的增大，而顶板回转和支架反复支撑作用的实质是使顶煤产生较大的变形，即顶煤的破碎主要表现为大变形失稳。
2）顶煤中裂隙的分布与其变形过程相对应，因而顶煤变形是顶煤内部裂隙发育及破坏发展的直观反映。
3）直接顶、顶煤和支架的刚度对比关系对顶煤破坏的发展具有明显影响，直接顶和支架的刚度较大时对顶煤破碎是有利的。
3.2坚硬煤层综放开采顶煤破坏过程的基本特征
3.2.1坚硬顶煤垮冒破碎的一般特征
大量的现场生产实践和实验研究结果都表明，坚硬特厚煤层综采放顶煤工作面顶煤的垮落破碎状况明显不同于一般条件的综采放顶煤工作面顶煤的垮落破碎状况，如图3-1、照片3-2。
归纳总结坚硬煤层综放工作面顶煤的垮落和破碎状况，不进行预先弱化时的，其具有如下一般特点。
图3-1坚硬煤层综放面顶煤垮落结构形态
图3-2坚硬煤层综放面模拟实验顶煤垮落状况
3.3顶煤预先爆破的主要弱化作用形式
坚硬煤层综采放顶煤开采中，预先弱化爆破在顶煤中形成的爆破破坏区的存在改变了顶煤的整体结构特征，引起了顶煤中应力的重新分布，从而影响着随后工作面采场支承压力对顶煤破坏作用的特征。根据模拟实验和现场观测，分析预先爆破对顶煤破坏过程和破坏特征的影响，其弱化作用形式和作用机制主要表现在以下几个方面：
1）爆破直接破碎作用
顶煤弱化爆破后，在炮孔周围要形成爆破松动破碎圈，尽管其范围有限，爆破直接破碎的煤体占顶煤总体积的比例并不大（约8～23%），但爆破直接破碎顶煤的作用还是不可忽视，在一些情况下，如矿山压力作用较小或均匀布孔时，爆破的直接破碎作用将起主要作用。
2）局部应力集中作用
弱化爆破形成爆破松动破碎区后，会在其周围煤体中引起局部应力集中现象，使爆破破坏区之间相对比较完整的煤体中的应力升高。平行工作面按排布孔爆破时，破碎区之间较完整煤体中爆破引起的集中压应力方向与支承压力方向基本一致，随着顶煤逐渐靠近工作面，爆破引起的一次局部应力集中与采场引起的大范围二次应力集中——支承压力将会发生叠加，使应力集中程度进一步加剧，爆破破坏区之间相对比较完整煤体由于受力较大而会产生较大的变形和破坏。集中应力的叠加使支承压力的破煤作用效果增大，从而可以更有效地、更充分地发挥支承压力的破煤作用，这是预先爆破之所以能够弱化坚硬顶煤的主要作用机制之一。
3）控制顶煤垮落角和垮落位置作用
平行工作面按排布孔、分排齐发爆破时，爆破在顶煤中形成的平行工作面煤壁等距垂直分布的破碎带成为控制顶煤垮冒结构特征的主要弱面组，由于该组结构弱面大体垂直且裂隙极为发育，受其控制，会使坚硬顶煤垮落角有较大增加。根据现场经验，一般顶煤垮落角可增加10°左右，达到75～95°之间。我国放顶煤实践表明，顶煤垮落角对顶煤采出率有着重要影响，一般顶煤垮落角在65～85°之间时，顶煤即易于放出，工作面支护状态又比较好。当顶煤垮落角小于60°时，由于顶煤冒落的位置滞后，上位顶煤放出困难，顶煤采出率难以提高。当顶煤垮落角大于90°时，由于顶煤超前垮冒，易于造成支架空顶、架前冒顶，使工作面支护管理困难。对于坚硬顶煤，增大顶煤垮落角是提高顶煤采出率的重要措施之一。因此增大顶煤垮落角是爆破弱化坚硬顶煤的主要作用机制之一。
4）爆破空腔位移空间补偿作用
随着顶煤逐渐靠近工作面，由于所受的支承压力不断增大，煤体发生变形和位移的趋势也不断加大。弱化爆破已经形成的松动区和爆破空腔为顶煤在支承压力作用下发生变形和位移提供了一定的位移补偿空间，加大了顶煤在支承压力作用下的变形和位移量，从而有利于顶煤的进一步松裂破碎。
在爆破弱化顶煤时，上述四种作用形式同时存在，与矿山压力一起共同影响着顶煤的破坏过程和最终破碎垮冒特征。但在不同条件和不同阶段，各种形式所起作用的大小是不同的。当原岩应力较小（煤层埋藏较浅），炮孔密度很大，或采用均匀布孔时，爆破的直接破碎作用就增大了，而应力集中作用和控制顶煤垮落角的作用就减小了；当原岩应力较大，并采用按排布孔时，应力集中作用和控制顶煤垮落角的作用就增大了，而爆破的直接破碎作用就减小了。对顶煤整体结构特征及其在支承压力作用下破坏过程的影响是爆破弱化顶煤作用的主要形式。上述分析也就是对顶煤预先爆破弱化作用机理的基本认识。
参考文献:
[1] 闫少宏,吴 健,孟金锁.放顶煤开采顶煤分区的力学方法.煤炭科学技术, 1995, 23 (12): 33～37.
[2] 闫少宏.放顶煤开采顶煤与顶板活动规律研究: [学位论文].北京:中国矿业大学, 1995.
[3] 于海勇．放顶煤开采理论基础．北京：煤炭工业出版社，1995．1～112.
[4] 徐永圻．煤矿开采学．徐州：中国矿业大学出版社，1993.1～126.
作者简介:
刘小平（1988.9月-），2008年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，任职于内蒙古锡林郭勒盟五间房矿区，从事煤田开发工作，工作方向：内蒙地区软岩矿井开发过程中遇到的技术问题。
[关键词] 放顶煤开采 坚硬厚煤层 预先爆破弱化
近年来随着坚硬特厚煤层应用综放开采的需要而在实践中逐渐形成和不断发展起来的一种新技术。尽管其已在实践中取得可喜成效，应用范围正在扩大，然而对坚硬顶煤预先弱化中的一些问题，如对顶煤“预先弱化”的理解、顶煤预先弱化的基本思想、预先弱化的实质等的认识却还很不深入，有些甚至存在歧义，对坚硬顶煤的含义、坚硬顶煤的识别方法和判定标准也探讨不多。本文将对综放开采坚硬顶煤预先弱化中的这些基本概念问题进行分析和论述。
1.概述
我国厚煤层资源十分丰富，其储量占总储量的45％，厚煤层矿井的产量一般为总产量的40-50％。因此，在我国发展与推广放顶煤开采技术，不但具有较好的煤层赋存条件，而且有降低成本，减轻工人劳动强度，提高劳动生产率等显著的技术与经济优势。放顶煤开采技术己经在我国取得了很大的成功，但在内蒙地区煤炭资源的逐步开发过程中，面对着新的资源赋存条件，突出的有以下几个问题需要得以解决：
1）煤层厚度过大
50年代国家大力推广放顶煤开采后，放顶煤开采技术取得了长中的发展，但是就煤层厚度而言，一般认为综采放顶煤技术适用于厚度小于15 m。对厚度大于15m的煤层，由于其矿压显现规律、顶煤冒放性等与一般的综放开采有很大差别，一般的规律在此不完全适应。
2）煤层硬度过大
综放开采技术在我国己经过了数十年的发展，在理论研究与工程应用方面己取得了巨大的成就，但是就煤层厚度而言，一般认为综采放顶煤技术适用于厚度小于15m，而我国有相当大一部分煤田的煤层厚度大于15m，本文的研究成果对指导15m以上特厚煤层综放开采，提高采出率，降低资源浪费，发展和振兴大型煤炭企业经济有着重要的参考价值。
2.坚硬顶煤的定义
坚硬顶煤是一个具有相对性的、模糊性的概念，但又是一个具有客观性的概念。
根据生产实践，坚硬顶煤一般具有下述基本特征之一：
1）煤体强度较高，其单轴抗压强度一般大于25MPa，节理裂隙不够发育；
2）煤体的强度不是很高（单轴抗压强度一般在15～25MPa），但其分层厚度大、节理裂隙不发育、完整性好，或埋藏深度较小（一般小于150m）；
3）煤层结构复杂，顶煤中存在厚度较大、稳定性较高的夹矸层或硬煤厚分层。
3.综放开采顶煤破碎机理
3.1 顶煤的变形破煤作用
1) 顶煤发生强度破坏前的破坏发展取决于支承压力的增大，强度破坏后的破坏发展则取决于变形的增大，而顶板回转和支架反复支撑作用的实质是使顶煤产生较大的变形，即顶煤的破碎主要表现为大变形失稳。
2）顶煤中裂隙的分布与其变形过程相对应，因而顶煤变形是顶煤内部裂隙发育及破坏发展的直观反映。
3）直接顶、顶煤和支架的刚度对比关系对顶煤破坏的发展具有明显影响，直接顶和支架的刚度较大时对顶煤破碎是有利的。
3.2坚硬煤层综放开采顶煤破坏过程的基本特征
3.2.1坚硬顶煤垮冒破碎的一般特征
大量的现场生产实践和实验研究结果都表明，坚硬特厚煤层综采放顶煤工作面顶煤的垮落破碎状况明显不同于一般条件的综采放顶煤工作面顶煤的垮落破碎状况，如图3-1、照片3-2。
归纳总结坚硬煤层综放工作面顶煤的垮落和破碎状况，不进行预先弱化时的，其具有如下一般特点。
图3-1坚硬煤层综放面顶煤垮落结构形态
图3-2坚硬煤层综放面模拟实验顶煤垮落状况
3.3顶煤预先爆破的主要弱化作用形式
坚硬煤层综采放顶煤开采中，预先弱化爆破在顶煤中形成的爆破破坏区的存在改变了顶煤的整体结构特征，引起了顶煤中应力的重新分布，从而影响着随后工作面采场支承压力对顶煤破坏作用的特征。根据模拟实验和现场观测，分析预先爆破对顶煤破坏过程和破坏特征的影响，其弱化作用形式和作用机制主要表现在以下几个方面：
1）爆破直接破碎作用
顶煤弱化爆破后，在炮孔周围要形成爆破松动破碎圈，尽管其范围有限，爆破直接破碎的煤体占顶煤总体积的比例并不大（约8～23%），但爆破直接破碎顶煤的作用还是不可忽视，在一些情况下，如矿山压力作用较小或均匀布孔时，爆破的直接破碎作用将起主要作用。
2）局部应力集中作用
弱化爆破形成爆破松动破碎区后，会在其周围煤体中引起局部应力集中现象，使爆破破坏区之间相对比较完整的煤体中的应力升高。平行工作面按排布孔爆破时，破碎区之间较完整煤体中爆破引起的集中压应力方向与支承压力方向基本一致，随着顶煤逐渐靠近工作面，爆破引起的一次局部应力集中与采场引起的大范围二次应力集中——支承压力将会发生叠加，使应力集中程度进一步加剧，爆破破坏区之间相对比较完整煤体由于受力较大而会产生较大的变形和破坏。集中应力的叠加使支承压力的破煤作用效果增大，从而可以更有效地、更充分地发挥支承压力的破煤作用，这是预先爆破之所以能够弱化坚硬顶煤的主要作用机制之一。
3）控制顶煤垮落角和垮落位置作用
平行工作面按排布孔、分排齐发爆破时，爆破在顶煤中形成的平行工作面煤壁等距垂直分布的破碎带成为控制顶煤垮冒结构特征的主要弱面组，由于该组结构弱面大体垂直且裂隙极为发育，受其控制，会使坚硬顶煤垮落角有较大增加。根据现场经验，一般顶煤垮落角可增加10°左右，达到75～95°之间。我国放顶煤实践表明，顶煤垮落角对顶煤采出率有着重要影响，一般顶煤垮落角在65～85°之间时，顶煤即易于放出，工作面支护状态又比较好。当顶煤垮落角小于60°时，由于顶煤冒落的位置滞后，上位顶煤放出困难，顶煤采出率难以提高。当顶煤垮落角大于90°时，由于顶煤超前垮冒，易于造成支架空顶、架前冒顶，使工作面支护管理困难。对于坚硬顶煤，增大顶煤垮落角是提高顶煤采出率的重要措施之一。因此增大顶煤垮落角是爆破弱化坚硬顶煤的主要作用机制之一。
4）爆破空腔位移空间补偿作用
随着顶煤逐渐靠近工作面，由于所受的支承压力不断增大，煤体发生变形和位移的趋势也不断加大。弱化爆破已经形成的松动区和爆破空腔为顶煤在支承压力作用下发生变形和位移提供了一定的位移补偿空间，加大了顶煤在支承压力作用下的变形和位移量，从而有利于顶煤的进一步松裂破碎。
在爆破弱化顶煤时，上述四种作用形式同时存在，与矿山压力一起共同影响着顶煤的破坏过程和最终破碎垮冒特征。但在不同条件和不同阶段，各种形式所起作用的大小是不同的。当原岩应力较小（煤层埋藏较浅），炮孔密度很大，或采用均匀布孔时，爆破的直接破碎作用就增大了，而应力集中作用和控制顶煤垮落角的作用就减小了；当原岩应力较大，并采用按排布孔时，应力集中作用和控制顶煤垮落角的作用就增大了，而爆破的直接破碎作用就减小了。对顶煤整体结构特征及其在支承压力作用下破坏过程的影响是爆破弱化顶煤作用的主要形式。上述分析也就是对顶煤预先爆破弱化作用机理的基本认识。
参考文献:
[1] 闫少宏,吴 健,孟金锁.放顶煤开采顶煤分区的力学方法.煤炭科学技术, 1995, 23 (12): 33～37.
[2] 闫少宏.放顶煤开采顶煤与顶板活动规律研究: [学位论文].北京:中国矿业大学, 1995.
[3] 于海勇．放顶煤开采理论基础．北京：煤炭工业出版社，1995．1～112.
[4] 徐永圻．煤矿开采学．徐州：中国矿业大学出版社，1993.1～126.
作者简介:
刘小平（1988.9月-），2008年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，任职于内蒙古锡林郭勒盟五间房矿区，从事煤田开发工作，工作方向：内蒙地区软岩矿井开发过程中遇到的技术问题。