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1我国今后对顶板控制技术发展的分析与探讨一、顶板控制技术的发展概况上世纪初，顶板控制技术和机械装备比较落后，为了使顶板不冒落，以保证采煤工作面的生产安全，在当时的条件下煤柱支撑式控顶是一种主要控顶方法。于这种控顶方法相适应的采煤方法同样是落后的，有仓房、房柱、短壁、刀柱等。使用这些采煤方法和控顶方法，一般产量低、效率低、资源采出率低、劳动条件差、顶板事故多、通风条件差、引发瓦斯煤尘爆炸、火灾等灾害多。后来为了降低体力劳动和使用机械采煤，便出现了长壁采煤方法及其相适应的垮落式控顶方法、使采煤技术发生了根本性的变革，受到采矿企业的普遍重视和高度评价，成为公认的、普遍采用的一种采煤方法和控顶方法。在这个基础上才采煤机械化、综合机械化、自动化技术得到迅速发展，安全环境得到了很大改善，资源采出率得到很大提高，工作面单产突破千万吨，成为高产、高效具有代表性的采煤方法和控顶方法。科学在发展、技术在提高，人对大自然的认识也在逐步深化，地表塌陷、环境保护、生态平衡、地下水资源的流失和污染、岩体滑坡和泥石流等地质灾害的认识上与过去相比有了很大提高，这是一种可贵、可喜的现象，也是科学技术进步的表现。但更重要的是，客观现实对煤矿顶板控制的方法提出了新的要求。这些要求是我们过去忽略或认识不够的，事实上已经给煤炭工业的发展带来严重的损害，现仅就三种顶板控制方法进行简要分析。二、三种控顶技术的利弊分析21、长壁垮落顶板控制方法长壁垮落顶板控制方法具有资源采出率高，操作比较简单，便于实现机械化和高产、高效等优势，适用于厚、中、薄各种不同厚度的煤层，是建国以来我国煤矿井工开采的主导采煤方法和控制顶板方法。因受各种因素的综合作用和传统概念的影响，对这种控顶方法存在的问题，总的讲从认识和预防技术措施上都是很不够的，多数情况处于灾害发生后的处理上。在灾害防治上投入的人力、物力和财力是很少的。因此，出现井下开采于环境保护、生态保护、地质灾害防治、重要建筑物保护等极不协调的局面，更为严重的是这种不协调的被动局面和造成的灾害还在发展。鉴于煤炭在能源中处于重要地位，矿区开采强度越来越大，合理的开采程序受到破坏，地面塌陷面积逐年增加。据不完全统计，仅国营统配煤矿地面塌陷面积已超过5000km2，而且还以每年200km2的速度增加，使我国十分宝贵的土地资源，特别是优质农田，受到严重破坏。从全局来分析，全部垮落顶板控制方法，值得深入地、科学地论证和探讨。优质土地资源在我国从价值对比上很难量化的，从宏观上来看，保护优质土地资源不论是现在还是未来，特别是东部沿海地区，都是十分重要的，因为它是人类赖以生存和发展的基础，减少或逐步消除垮落控顶技术给环境、生态和土地等造成的灾害，是井工开采顶板控制的一个十分迫切、值得研究和解决的重要课题。从当前的短期经济效益出发，全部垮落式控顶方法因其具有成本比较低的优势，条件适合的矿山仍应发展和应用全部垮落法，条件不适合的应坚持采用3充填等其他方法。2、充填式顶板控制方法充填式控顶方法，在国内外都得到一定程度的发展和应用。水砂充填在抚顺、新汶等部分矿山都曾得到一定程度的应用；矸石充填在中梁山等煤矿也曾得到了应用，其中局部充填和带状充填在鸡西矿区曾得到了广发的应用，并取得了较好的经济效益和技术效果。因此，当务之急是及时采取有效措施，对充填式控顶方法的设备、充填材料和工艺流程进行深入研究，降低充填成本，提高其应用效果，确保其适应条件，使其成为我国井下开采控制顶板的有效方法。在使用这种方法的初期对煤矿企业可能带来一些影响，特别在经济方面，需要国家资金投入，使其得到应有的发展空间，在技术上逐步成熟后，再逐步推广应用。3、煤柱式控制顶板法用煤柱来支撑顶板的方法，它出现在垮落式和充填控顶方法之前，重点使用于坚硬顶板和坚硬煤层条件下，局部不正规的边角煤开采有时也采用这种方法。煤柱支撑控顶方法不但资源采出率低，不能有效地实现综合机械开采，同时当达到一定的开采空间和开采面积时，因煤柱在长期和大范围采空顶板的应力作用下，煤柱强度逐步降低（煤与岩石在长期载荷作用下，都有这种特性），支撑能力逐年下降，将不可避免的出现几万到几十万平方米的大面积顶板瞬时冒落灾害，将摧毁井下所有人员及设备。大同矿区多次灾难性的大面积顶板冒落事故，都发生在刀柱工作面采空区组成的群体，或由其他煤柱支4撑控制顶板的采空区群体。由于煤柱有自燃特性，特别在地面塌陷后形成的裂隙与采空区空气沟通后，很容易发火。通风及密闭稍有不慎，将发生以煤柱为中心的自燃灾害，甚至引发煤尘和瓦斯爆炸。因此，可以认为在采空区留下的大量煤柱和大量丢失的浮煤都是火源。从我国的国情和煤层赋存条件复杂的实际出发，应积极创造条件，有计划地、逐步地停止使用这种控顶方法。我国在大矿区已有了处理大面积顶板冒落的经验，效果显著，应积极推广于地方煤矿。总之，煤柱支撑式控顶方法理论上不成立，实践上不可行，经济上不合理，并将遗留大量隐患，应坚决予以制止。三、顶板控制技术的发展展望（1）全部垮落式控顶法能够充分发挥长壁工作面综合机械化高速推进，高产、高效的优越性，因此，在世界范围内仍在广发应用，但在环境保护、生态平衡、水资源保护、农田保护、重要建筑物保护等方面，它造成的破坏也是十分严重的，其破坏程度比其他方法更为严重。使我们面临对全部垮落控顶法重新认识的问题，顶板控制或岩层控制不仅限于顶板或岩层，其内涵是广泛的，还包括其他方面。这种控顶方法也不是万能的，有它一定的适应范围，如开采浅埋深、缓斜厚煤层时，就不宜采用这种方法。只有在对环保造成破坏和影响比较小的薄煤层开采条件下，才适于应用垮落控顶方法，但还应有其他辅助技术，才能达到预期的目标。鉴于保护地表、保护土地是关系到子孙后代的大问题，因此，充填控顶方法在具备条件下也是一种值得充分肯定和应用的控顶方法。5它可以大幅度降低对地表的破坏程度。多年来，我们在目前与长远、环保与生产、保护资源与经济效益等方面的认识，滞后于与时俱进的科学思想，使充填控顶技术处于不受重视的处境，科学研究单位也忽视这方面的研究工作，煤矿企业也不愿投资进行充填方面的试验和应用，因此，充填技术发展很慢，发展空间很小，基本上处于全部垮落控顶方法一统天下的局面，这对我国提高控顶技术、井工开采的持续发展将产生不利影响。因此积极开展充填工艺的研究与应用是当务之急。首先在充填材料价格低，供应充足、地表有重要保护价值的矿区应用，然后再推广到条件比较适于应用充填技术的矿区，使充填控顶技术成为井下开采中的重要控顶技术之一。（2）确定合理的控顶方法应在矿井设计中重点体现出来，也是矿井设计中的重点改革内容，所以，针对我们的工作，在这里要重点提醒一点，在今后的预评价工作中，要对矿井设计的顶板控制方法作合理评价，分析其顶板控制方法对地表、环境、水资源及地面建筑物等的影响。矿井设计、矿井基建和矿井投产应是统一的、一致的，坚决改变矿井一投产，立即进行改造或扩建的被动和浪费局面，矿井设计不但要十分重视受开采破坏和影响的防治措施，在矿井投产中要树立井下开采和地面保护并重的理念，井下开采和地面灾害防治应同步进行。先生产破坏，后治理灾害是不可取的，其失大于得，其后果也是不易治理的，就是治理也要付出更大的代价，给今后生产留下更大、更多的难题。最近一个时期，国家投入了大量人力、物力和财力进行灾害防治，6但收效甚微，根本原因还是没有跳出“先破坏、后治理”的老框架，实际上就是不治理或投入很少达不到治理效果。（3）控顶技术不是单一的技术，它与生产很多环节有密切的关系，相互制约。控顶技术要与煤层的赋存条件相适应，如开采深度、煤层厚度、倾角、顶板强度、近距离多煤层等，开采深度不大的薄煤层采用矸石局部充填，可能比垮落法更加合理。当开采深度不大的中厚或厚煤层时，全部垮落法将给采空区和地表造成重大灾害，采用全部充填法比较合理，因其对地表造成的影响比较小，防治成本也比较低。当开采深度大于800—1000m的薄煤层时，采用全部垮落法，一般对地表的影响很小，当开采深度大于800m的坚硬厚顶板中厚煤层时，采用全部垮落法，一般比较安全，特别是直接顶厚度更为有利。煤层倾角大小有时也可决定控顶方法的合理性，如开采倾角大于450浅埋深煤层时，依靠斜井或钻孔可将充填材料直接输入采空区，是一种充填费用较低的方法，从开采技术的发展和进步来看，今后何将来，控制顶板仍有可能是垮落法和充填法并存的局面。7大采高综采工作面的顶板管理1概述张集煤矿矿井设计能力为400万t/a，高定位技改后生产能力将达到700万t/a，井田走向长约7km，平均倾斜宽约8.5km，面积约60km2，主要可采煤层有13-1、11-2、8、6、1等五层，可采总厚度21.08m，可采储量686Mt，矿井设计服务年限122.5a。2工作面概况1121（3）工作面属张集矿井13-1煤层，面长200m，回采长度1672.8m，工作面煤层厚度2.2～5.5m，平均厚度为4.1m，煤层倾角2～5°，平均倾角3°，煤层结构简单，煤层较稳定，局部受构造影响，煤层变薄、变软，直接顶为泥岩，老顶为细砂岩，直接底为泥岩。工作面液压支架选型为ZZ6000/21/42支撑掩护式液压支架，采用MG400/920—WD采煤机，SGZ800/800运输机。3工作面顶板管理措施工作面顶板管理的基本要求是跟顶回采，保持顶板平整完好，不漏顶、掉顶；工作面两端头顶板支护安全可靠，保证足够的通风空间和行人安全，为回采创造良好的条件。工作面在复合型顶板、“三软煤层”、构造多等复杂条件影响下，顶板压力显现强烈，给生产管理带来很大的压力。通过现场的不断摸索实践，针对具体情况采用了以下几中的措施来加强工作面和两端头的顶板管理。3.1工作面回采工艺83.1.1工艺流程斜切进刀→打三角煤→割煤→移架→推溜→斜切进刀3.1.2支护方式采煤机割煤后，及时伸出支架的伸缩梁护住煤顶，护帮板护住煤帮，移架采用带压移架，少降快拉。移够步距后立即升架，并将护帮板打至煤壁。3.1.3采空区处理全部垮落法。3.2矿压观测及预测预报1121（3）工作面共安装液压支架136架，采用ZYDC－3型综采液压支架压力自记仪测定液压支架工作阻力，在整个工作面布置5条测线，每条测线布置两个测站，共装10块压力表，测出支架前后立柱的初撑力、工作阻力和末阻力等数据，掌握工作面顶板压力大小、支架增阻状况。在轨道顺槽和运输顺槽内每隔3～5m用液压式单体支柱测压仪测定单体支柱的工作阻力，上下两巷各布置3块压力表。从而分析顶板初次来压步距、周期来压步距等工作面及两巷矿压显现及其变化规律，合理进行工作面及两端头管理顶板。顶板事故大多数是在顶板压力异常而作业人员又没有意识到的情况下发生的。由于预测不及时，现场没有采取针对性的措施加强管理，从而导致垮棚、冒顶事故。这种情况在煤矿顶板事故中较为常见，因此技术管理方面就必须提前进行顶板压力的预测预报工作。一般在以下三种情况时顶板压力显现会出现异常：①工作面遇到断层、褶曲等异常构造时。②顶板岩性发生变化，由坚硬顶板变为破碎顶板；或顶板有淋水时。③回采速度放慢，不能按正常循环回采时。9除了矿设立的地质预测预报机构，综采队安排专人负责此项工作，使顶板管理具有较强的针对性。3.3回采期间工作面顶板管理3.3.1常用措施①加强设备检修，提高开机率，保证工作面推进度，确保工作面快速推进(工作面平均月进177.8m，最高月进度为232.6m)。②生产中采用追机作业方式，移架时带压移架，移架后及时用护帮板护帮，局部若有片帮掉顶现象，抵车后及时拉超前支架支护顶板。③工作面支架初撑力达到额定工作阻力的80％，泵站压力不得小于30MPa，使支架有较高的初撑力，减少顶板对煤帮压力，较好地控制住片帮、掉顶事故的发生。3.3.2支架管理液压支架在移动过程中的稳定性较差，生产过程中，严格控制工作面采向，对歪架及时采用支架本身的调架千斤顶和DZ-28单体进行调整，使支架顶粱与工作面顶板接触严密，迎山有劲；支架间做到不挤不咬，相邻支架间的错茬合理，架间空隙均匀，前探梁升起，护帮板与煤壁接实，严格控制端面距；端头支架易发生歪架现象