我国综采放顶煤开采技术及其展望

我国综采放顶煤开采技术及其展望煤炭是我国的主要能源，目前已探明的储量达9000亿吨，煤炭在我国21世纪前50年的能源结构中将稳居50%以上。然而，煤炭开采过程中的高效和安全问题，一直是困扰我国煤炭企业的两大难题，20世纪八十年代中期，在我国厚煤层矿井试行并逐步推广的综采放顶煤技术（简称综放），较好地解决了厚煤层矿井的高效和安全问题，使这一技术以惊人的速度发展，并逐步完善，成为当前我国厚煤层开采的主要方法。综放开采技术之所以在中国发展迅速，普及广泛，主要原因有三点：一是该技术先进，本身具有强大的生命力；二是由于中国整体国力的提高，设备加工制造业的整体水平的提高，使配套设备的可靠性进一步增强，为综放开采技术的发展提供了强有力的保证；三是有一大批高素质的管理人才、科技人才和职工队伍，成为综放开采技术不断发展和完善的动力。本文在阐述我国科技人员在这一技术进步中作出的创造性贡献之后，将进一步阐述该项技术需要完善的问题，并提出建议性对策。一、综采放顶煤技术的发展历史与现状综合机械化放顶煤开采技术最早出现在国外。1957年，前苏联研制出了Кту型掩护式放顶煤液压支架，并在库兹巴斯煤田的托姆乌辛斯克使用；1963年法国研制成功了“香蕉”支撑掩护式放顶煤液压支架，1964年在布朗齐矿区使用并获得成功；80年代初，匈亚利研制成功单输送机前开天窗式放顶煤液压支架。此后，波兰、南斯拉夫、印度等国都使用过综放技术，但效果不够理想，加上国际能源结构变化等原因，80年代后国外综放技术开始萎缩，90年代只有极少数矿井使用。我国综放的发展始于80年代。1984年6月，由原煤炭部立项，在沈阳矿务局蒲河矿用我国自行研制的FY400/14/28综放支架开始试验，后因支架稳定性差，四连杆强度不足损坏严重，加之设备的配套性不好，支架不能前移，造成工作面发火中止试验；1987年，平顶山矿务局一矿引进了匈牙利VHP-732型高位插底式放顶煤液压支架，取得了平均月产44206吨，最高月产55000吨，回采率79.6%，平均工效25.5吨/工的初步成绩；1988年阳泉矿务局、1989年潞安矿务局开始试验，超过了以前各局所取得的效果。与此同时，窑街、靖远、晋城、郑州、兖州、辽源、乌鲁木齐、平庄等矿务局推广使用。从1984年第一个试验工作面算起，到1994年的十年间，我国综放技术迅速发展，1994年，全国综放开采的总产量达到3680万吨，有28个矿务局，60个综放面在生产。其中，年产量超过百万吨的21个，占1/3，综放技术日趋成熟。在设备、工艺、安全保障等方面作了大量的理论研究和现场试验，为近几年的发展打下了坚实的基础。到1998年，全国综放总产量达到7000万吨，综放工作面总数达到82个，全国64个百万吨综采队中，有22个是综放，其中9个队的年产达到200万吨以上，占当年200万吨队的81.8%。使用条件由初期的缓倾斜煤层发展到倾斜、急倾斜煤层；由开采条件较好工作面发展到条件较差的“三软”、“两硬”、“不稳定”煤层。其中以缓倾斜厚煤层工作面的效果最明显，工作面最高年产量达到500万吨以上。目前我国综放技术使用的数量、范围、技术的先进性和取得的效果，均居世界领先地位。最近，我国正在努力拓展外部市场，向国外输出综放技术及成套装备。我国科技人员在综放开采的技术进步中，投入了大量的力量，在理论、技术和装备等方面取得了系统和丰硕的成果。(一)顶煤冒放性的定量评价方法顶煤能否顺利冒落并有效放出，是决定放顶煤开采能否成功的关键，也直接影响到工作面的煤炭回收率。我国科技人员先后提出了多种冒放性评价方法，例如：将影响因素量化后进行回归，用回归公式计算冒放性；用模糊聚类法计算冒放性；用距工作面煤壁不同距离处顶煤位移量达到100mm处的位置远近作为冒放性判别指标。现场使用较多且直观方便的方法是下述的“七因素加权模糊推理法”。这是对煤层地质条件和开采条件的综合评价，没有考虑辅助措施对冒放性的影响作用。当采用辅助措施影响冒放性时，相当于改变了煤层地质条件和开采条件，因此，该方法仍然适用。1、决定冒放性的七个因素及其对论域“冒放性好”的隶属度(1)采深与煤层强度比值采深与煤层强度对顶煤冒放性而言是相对概念，这一指标代表支承压力的破煤能力。要使顶煤在支承压力作用下充分破碎，(2）直接顶岩性直接顶板能随采随冒，顶煤放出后能及时充填满放出空间，减少了顶煤放出损失。直接顶岩性以泥岩、页岩、粉砂岩等中等稳定性以下为好。(3）老顶岩性老顶的作用主要是向煤壁前方传递支承压力。岩性越好，传递支承压力的能力越强，对顶煤破碎越越有利，但来压步距相对要加大，来压强度加剧。综合考虑老顶破煤作用与来压强度，(4）采放高度比顶煤破碎主要依靠支承压力和支架反复支撑卸载使用来实现，顶煤太厚，上部顶煤破碎不充(5）节理裂隙发育程度煤体中节理裂隙发育大大降低了顶煤的整体强度。总的来讲，裂隙发育程度高则有利于顶煤的再次破碎与冒落成均质松散体。顶煤放出时具有明显的规律性，回收率高。但裂隙发育超过一定限度后，由于顶煤过分松软，架前顶煤片帮、冒顶将影响工作面正常推进。(6）夹石层厚度根据煤炭工业部煤生字〔1995〕第104号文件规定：当煤层中夹石层单层厚度大于300mm时，将影响顶煤冒落。因此以300mm为界，大于300mm时视顶煤可放性“极差”，厚度越小(7）夹石层强度夹石层强度对顶煤冒放性影响取决于夹石层强度与煤层强度之比值。一般认为，只有当夹石层强度大于煤层强度时，才会对顶煤冒落造成不良影响，且夹石层强度越大顶煤越难冒落。各因素对冒放性的隶属度是根据实测、理论研究和经验给出的。2、冒放性评价的“加权模糊推理”法为了对受多种因素影响的顶煤冒放性进行定量评价，最终给出一个量化的指标，采用了“加权模糊推理”方法，3、采用辅助措施改进冒放性当计算出的冒放性指数小于0.8时，应考虑采取辅助措施改善冒放性。而生产单位通常在顶煤硬度f3、节理不发育、夹矸厚度300mm且属坚硬岩层时，采取煤层或夹矸注水软化、预爆破、预采顶分层降低采放比、架间松动爆破等措施，取得了良好的效果。(二)综放面顶板结构与支架围岩关系综放面顶板结构与支架围岩关系一直是学术界和工程界长期争论的课题。一种观点认为，放顶煤一次采出厚度大了，顶板压力必然增大，因此有些厂家设计出了大吨位支架，然而这些支架在有些采场出现了钻底、钻顶及歪架现象，直接影响了矿井的效益；另一种观点认为，放顶煤采场冒落矸石厚度大，顶板压力被缓冲了，压力变小了，因此有些矿井选用了吨位较小的支架，结果出现了立柱压爆、油缸变形的严重事故。那么到底放顶煤采场压力是变大了还是变小了，应该怎么认识这个问题，已成为综放支架设计和选型的首要问题。1、放顶煤采场的顶板结构国内综放采场顶板运动及矿压显现规律已有很多研究成果，较典型的成果有：关于放顶煤采场顶板结构的研究；在“三软”条件下的研究；关于综放提高与优化的研究；在“三硬”条件下矿压规律的研究；关于放顶煤采场顶板结构与支架围岩关系的研究；关于网下、有夹矸等复杂条件下放顶煤采场的矿压显现规律研究等，这些成果较全面地反映了各类顶板条件下的矿压显现规律，推动了放顶煤的健康发展。前人的研究大都认定，直接顶的厚度受到放出率的控制，直接顶上方存在一个传递力的结构。它能代表强度中硬顶板结构。直接顶的厚度可根据几何关系推得，如式①所示。必须注意的是，直接顶的作用力有时无需支架全部承担，因为直接顶内部有时存在小结构。这在很多采场都得到了证实。当煤层上覆盖的直接顶较薄、直接顶上方存在厚层坚硬岩层时，直接顶内不再存在小结构，此时，其作用力必须由支架全部承担，采空区充填不满，坚硬老顶运动时将引起很大的冲击，这种现象在徐州局三河尖矿、兖州矿业集团公司、大同矿务局等不同程度地存在。综上所述，按常见的结构形式，综放工作面的顶板结构即为一般结构形式和坚硬梁式结构形式。2、两种顶板结构下的支架围岩关系(1)一般结构的支架围岩关系此结构下支架上的载荷由三部分组成：顶煤重量、部分或全部直接顶作用力、直接顶和老顶之间的接触应力。(2)坚硬梁式结构的支架围岩关系当直接顶厚度较小时，直接顶和顶煤以定载荷方式作用在支架上，支架同时还要承受坚硬老顶断裂时的冲击载荷，因此，坚硬梁式结构下的支架围岩关系需要用动力学方法描述。3、综放支架受力与顶板结构的关系由上述分析可知，综放面顶板压力不仅与顶板结构有关，而且与采空区充填状态有关。对于c的选择可根据煤层硬度适当调整。此结构下水平推力不是主要矛盾，也不会有大的冲击载荷。对于坚硬梁式结构采场，顶板压力大小的预计及支架选型应采用以下步骤：（1）用式①估计在预定放出率条件下的直接顶厚度；（2）对照具体采场的顶板岩层，推断坚硬梁式结构形成的位置及可能性；（3）计算坚硬梁式结构运动的自由空间（采空区的空虚程度）；（4）估算结构失稳时最大动力载荷及力作用方向；（5）提出对支架架型及参数的要求。(三)提高煤炭回收率的技术措施经过十多年的奋斗，围绕提高煤炭回收率，展开了矿压、设备、回采工艺等一系列的研究，目前取得了工作面回收率高于80%的成果，主要的技术创新有以下4条：(1）在综放条件下试验成功并推广了沿空掘巷技术，并实现了煤巷支护锚网化，减少了大量区段煤柱。(2）研制了过渡放煤支架和端头放煤支架，使工作面回收率提高了2%以上。(3(4）对回采工艺进行了重点攻关，取得了一系列优化工艺。兖矿集团兴隆庄矿优化工艺后，工作面回收率提高了5%以上。(5)采区和工作面机构尺寸向大型化发展，降低了固有损失的比例。(四)新型系列综放支架及其配套设备综放支架是综放开采技术最关键，也是区别于综采的主要设备。经过长期的研究与实践，在缓倾斜厚煤层综放工作面中确立了低位放顶煤支架为主导架型。我国目前可以设计制造适合不同倾角、不同厚度煤层和不同顶底板条件的系列支架，整机结构合理，零部件性能可靠，支架的可靠性和寿命都达到了世界先进水平。采煤机、“三机”（刮板输送机、转载机、破碎机）与支架的配套性好，运转自如。还成功地设计制造了过渡支架和端头支架两个特殊品种，使综放开采技术具有了更好的适应性和安全性。兖矿集团公司“九五”科技攻关试验成功的“缓倾斜厚煤层综放工作面成套设备”已实现了单面年产500万吨以上，进入了世界领先行(五)综放工作面安全保障系统综放工作面突出的安全问题主要是瓦斯、煤炭自燃和煤尘。1、综放面瓦斯涌出特点与防治措施研究表明：在低瓦斯煤层中，综放开采与分层开采矿井的绝对和相对瓦斯涌出量没有太大的在高瓦斯矿井，综放工作面的瓦斯涌出的特点是：绝对量增加，如阳泉五矿15号层综放工作面产量是分层工作面的1.5-1.9倍，而绝对瓦斯涌出量是分层工作面的1.1-1.6倍；有效的防治措施为：(1）本层抽放或邻层抽放。(2）采空区抽放。(3）加大抽排风量和强化局部瓦斯聚集区的处理力度。实践证明，准确掌握工作面瓦斯涌出特点，采取针对性措施，可以有效解决综放面的瓦斯问2、综放面的煤炭自燃防治自燃发火是人们对综放开采最担心的问题之一。必须正确认识综放在自燃发火方面的利弊。一方面，综采放顶煤由于当前技术与装备的原因，有几个丢煤量大而且集中的部位，一旦出现自燃发火其严重程度和危害性比分层开采要大得多；另一方面是由于综放一次性地将若干个分层的煤采出，大大降低了开采多个分层所带来的时间长、松散煤体反复、多次被氧化造成的发火机（1）研制成功了均压通风自动监测系统。“均压”是被证明了的防、治煤层自燃发火的有效措施，而均压的状态决定着均压的效果。过去，均压状态要靠人工逐点测定，速度慢，精度低。为了提高均压效果，利用计算机技术和传感器技术研制成功了“均压通风自动监测系统”，该系统通过计算机、传感器和控制软件，及时、准确地将系统中的各个参数用表格和图象的形式，直观地反映出来，大阿斗提高了措施的针对性和有效性，并根据有关参数的变化自动给出调压方案，使均压技术进入了更加科学的轨道。（2）研制成功了高效防灭火系列凝胶材料及相关设备。传统的防灭火材料是水、黄泥浆、砖、料石等等。近几年来陆续研制成功了经济实用的系列凝胶材料，消除了老材料存在的渗漏、干