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      厚煤層綜采放頂煤采煤技術(shù)研究

      2012-11-12 04:20:36李文彥楊立海
      山西焦煤科技 2012年12期
      關(guān)鍵詞:煤口放頂橢球

      李文彥,楊立海,尹 彬

      (1.霍州煤電集團(tuán)什林煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 霍州 031499;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000)

      放頂煤采煤法,就是在厚煤層中,沿底分層進(jìn)行采煤,支架移出后,由于礦山壓力的作用使上部頂煤和頂板冒落,通過液壓支架上的“天窗”將松散頂煤回收。該方法始于20世紀(jì)40年代,我國(guó)從20世紀(jì)80年代初開始研制厚煤層放頂煤的綜采設(shè)備,由于這種采煤法具有掘進(jìn)率低、適應(yīng)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)等特點(diǎn),該技術(shù)在我國(guó)得到了迅速發(fā)展,現(xiàn)如今我國(guó)是世界上采用放頂煤采煤法最多的國(guó)家之一,在放頂煤綜采設(shè)備的制造、回采工藝、提高煤的回收率和降低含矸率、以及防止自燃發(fā)火措施等方面都積累了較豐富的經(jīng)驗(yàn)[1]。

      1 頂煤放出規(guī)律

      根據(jù)放礦理論,礦石從采場(chǎng)內(nèi)是按近似橢圓球體形狀留出來的,即原來所占的空間為一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球體,如圖1所示。在放礦過程中形成的橢球體稱為放出橢球體1,停止擴(kuò)展而最終形成的橢球體稱為松動(dòng)橢球體3,放礦后形成放出漏斗2和移動(dòng)漏斗4。如果放頂煤高度為h,則放出橢球體1長(zhǎng)軸為2a,近似于h,短軸為2b1。高度為h的水平煤巖分界面將下降為一漏斗面2,由于下降時(shí)煤巖的滾動(dòng),漏斗面實(shí)際上是由一定厚度的混矸層組成,最大直徑近似于4b1。生產(chǎn)實(shí)踐表明,放出橢球體短軸與長(zhǎng)軸的關(guān)系式如下:

      圖1 放礦橢球體概念示意圖

      從放礦理論上講,放出橢球體表面上的顆粒將大體上同時(shí)到達(dá)放煤口[2]。放煤的同時(shí),放出橢球體周圍的煤巖也將向放煤口移動(dòng),充填放煤留下的空間,且與放出橢球體相似,為一松動(dòng)橢球體,其高度H為:

      由于工作面支架上的放頂煤口互相臨近,放煤時(shí)放煤口間距l(xiāng)直接影響放煤效果。當(dāng)l>2b1時(shí),當(dāng)?shù)诙€(gè)放煤口放煤時(shí),不會(huì)因已放過第一放煤口而發(fā)生混矸現(xiàn)象,但放煤口之間有脊背煤損,l越大,脊背煤損越大;當(dāng)l<2b1時(shí),如放煤高度仍為h,必將有一部分矸石混入放出的煤中,但脊背煤損明顯降低。因此,在一定放煤高度條件下,合理確定放煤口間距是十分重要的。

      值得注意的是頂板冒落的性能,當(dāng)直接頂較穩(wěn)定不隨放頂煤而運(yùn)動(dòng)時(shí),放出體的頂部將出現(xiàn)缺球現(xiàn)象。但若直接頂在頂煤放空后冒落時(shí),將給支架帶來沖擊載荷,因而直接頂?shù)姆€(wěn)定性是重要的。

      2 放頂煤采煤工藝及綜采設(shè)備

      1)采煤工藝簡(jiǎn)述。采煤機(jī)割煤分段進(jìn)行,一般每15 m為一段,先割上刀,然后移架放頂煤,再割下刀繼續(xù)放頂煤,移前部輸送機(jī),一直把頂煤放完。再進(jìn)行第二階段的割煤和放頂煤工作,直到采完全部工作面為止[3]。頂煤較硬,可以上下刀一齊割煤,然后再移架放頂煤,推移輸送機(jī)并繼續(xù)放頂煤,直到放完為止,再采下段煤。放頂煤過程一般分兩個(gè)階段,第一階段是通過移架使頂煤垮落、破碎,不破碎的可以打眼放炮,但費(fèi)工費(fèi)時(shí)。一般要求頂煤強(qiáng)度不大,普氏系數(shù)不大于1,這樣才能保證移架后,頂煤垮落自動(dòng)破碎。第二階段是放煤,即把已破碎頂煤最大限度的回收出來。

      2)液壓支架。從放頂煤方式看主要有兩種:一種是底開門插板式,如FY280-14/28型;掩護(hù)梁開窗式,如FYS300-19/28型。從放頂煤效果看底開門插板式較好,因?yàn)樗档土朔琶焊叨?,底煤回收率比開天窗式的高,同時(shí)后面掩護(hù)梁可上下擺動(dòng)能增加放頂煤效果,也可壓碎大塊煤,使放煤窗口不易被堵。

      從工作面輸送看,有單輸送機(jī)和雙輸送機(jī)兩種。單輸送機(jī)液壓支架雖然節(jié)省了一臺(tái)輸送機(jī),同時(shí)放煤速度快,但主要缺點(diǎn)是,放煤時(shí)煤塊四濺,煤塵大,工作面被阻斷,很不安全;由于頂煤窗口高,頂煤回收率低;結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)高。這種支架在緩傾斜厚煤層中使用缺點(diǎn)較大,然而在厚煤層傾斜工作面俯斜推進(jìn)時(shí),由于用兩臺(tái)刮板輸送機(jī)比較困難,這種支架還是有一定價(jià)值的[4]。

      3)采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)。在緩傾斜長(zhǎng)壁工作面,放頂煤用的刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)與普通綜采工作面所用相似。底層煤采高一般在2.5~2.8 m,而且采比較松軟的煤層(f=1.5)常用的MLS3-170型和MLS3P-170型采煤機(jī)及其配套的SGW-250Ⅱ型和SGD-630/180PB型刮板式送機(jī)都能適用。

      在急傾斜厚煤層中用水平分層放頂煤采煤法時(shí),因工作面長(zhǎng)度短,用7 m長(zhǎng)機(jī)身的采煤機(jī),需要斜切進(jìn)刀,這是很困難的。采用MS950-400型短壁采煤機(jī)及配套的2×18/400型刮板輸送機(jī)。這種采煤機(jī)只有3 m,功率小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊,能自開缺口,操作維修也較方便。

      3 放頂煤采煤的巷道布置

      1)緩傾斜特厚煤層巷道布置。在底板開掘巖石集中巷,一方面可以集中運(yùn)輸,另一方面可作為灌漿巷。如果煤層自燃發(fā)火不嚴(yán)重,煤質(zhì)較硬,可把區(qū)段平巷布置在靠底板的煤層內(nèi)。

      2)急傾斜水平分層放頂煤巷道布置。在急傾斜水平分層采煤中采用放頂煤,首先將原煤層分成若干分段,根據(jù)放頂煤經(jīng)驗(yàn),分段高度為6~15 m,除在每分段底部煤層中布置分層回風(fēng)巷和封層運(yùn)輸巷外,如果煤自燃發(fā)火嚴(yán)重,在每段煤層底板巖石中布置分層灌漿巷,以便回采后及時(shí)通過鉆孔向采空區(qū)灌漿。為了運(yùn)送綜采設(shè)備,在底板巖石中開掘一條偽傾斜軌道上山,通往各分段巷道。

      急傾斜特厚煤層放頂煤采煤,各分段高度h,以頂煤能全部垮落為依據(jù)。這樣:

      式中:h1—煤層高度,m,一般為2.8;

      ks—煤的一次松散系數(shù),其值為1.15 ~1.3。

      十七大報(bào)告中,對(duì)第二次飛躍的理論成果做了新的表述,從理論與實(shí)踐相對(duì)應(yīng)的視點(diǎn),將作為對(duì)中國(guó)特色社會(huì)主義道路實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的理論,統(tǒng)稱為“中國(guó)特色社會(huì)主義理論體系”。指出:“中國(guó)特色社會(huì)主義理論體系,就是包括鄧小平理論、‘三個(gè)代表’重要思想以及科學(xué)發(fā)展觀等重大戰(zhàn)略思想在內(nèi)的科學(xué)理論體系。”[11]P11這是對(duì)當(dāng)代中國(guó)共產(chǎn)黨人馬克思主義中國(guó)化理論成果的最新概括。中國(guó)特色社會(huì)主義理論體系,是中國(guó)化馬克思主義創(chuàng)新理論的科學(xué)體系。

      對(duì)于緩傾斜特厚煤層,厚度h自然生成,這時(shí)可用上式反過來求底分層采高h(yuǎn)1,則:

      當(dāng)厚煤層h大于12~15 m時(shí),h1最大取3 m,h1太高,煤層容易片幫,煤堅(jiān)硬時(shí)h1可取大點(diǎn)。H大于20 m時(shí),就要采用分層開采。

      對(duì)自燃發(fā)火煤層,放頂煤采煤法的采區(qū)走向長(zhǎng)度L,主要根據(jù)自燃發(fā)火期決定,就是通過采取措施后,在煤層仍能自燃發(fā)火的期限內(nèi)把整個(gè)區(qū)段采完。對(duì)急傾斜特厚煤層,采區(qū)走向長(zhǎng)度L為:

      式中:A月—工作面月產(chǎn)量,t;

      T火—煤的自燃發(fā)火期,月;

      α—煤層傾角,(o);

      m—煤層厚度,m;

      h—分段高度,m;

      c—分段回采率,一般為0.8。

      對(duì)緩傾斜煤層,采區(qū)走向長(zhǎng)度為:

      式中:l—工作面長(zhǎng)度,m。

      4 放頂煤開采的安全措施

      放頂煤采煤法雖然有明顯的經(jīng)濟(jì)效益,但由于放頂煤是利用礦山壓力破煤造成了大量的破碎煤體存在,因此,可以說放頂煤開采的主要安全問題是煤層的自燃發(fā)火。我國(guó)特厚煤層一般都具有自燃發(fā)火的危險(xiǎn),所以在推廣放頂煤開采時(shí)亦應(yīng)著重研究自燃發(fā)火災(zāi)害的防治措施。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),防止地下自燃發(fā)火要從地面、井下以及工作面等方面開展工作,并要以預(yù)防為主[5]。

      1)地面防滅火措施。一是用黃土、矸石等回填塌陷區(qū),斷絕地下采空區(qū)與地面地空氣聯(lián)系,使采空區(qū)不漏風(fēng),達(dá)到滅火的目的;二是打鉆孔向采空區(qū)進(jìn)行黃泥灌漿或灌入CO2氣體,達(dá)到滅火和防止自燃發(fā)火的目的。

      2)回采中的防滅火措施。一是向采空區(qū)灌漿,主要是灌黃泥漿;二是向支架后面采空區(qū)噴灑阻化劑,目前使用較多的是MgCl2及CaCl2,取得了較好的效果;三是在工作面前方巷道中,向煤層打眼,用泵向煤層注水或注阻化劑溶液;四是均壓滅火,調(diào)整風(fēng)流負(fù)壓,防止向采空區(qū)漏風(fēng)。

      3)采后滅火措施。主要是采后密閉采空區(qū),并向采空區(qū)灌黃泥漿或阻化劑溶液。

      4)預(yù)報(bào)措施。安裝束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng),收集CO含量、溫度和其他有關(guān)參數(shù),以便在地面集中監(jiān)測(cè)并預(yù)報(bào)井下自燃發(fā)火情況;同時(shí)派專人定期巡回檢查各可能發(fā)火點(diǎn),遇見發(fā)火情況立即處理。

      5)直接滅火措施。預(yù)先制定避災(zāi)路線并在井下儲(chǔ)備足夠的滅火器材和水源,井下出現(xiàn)火災(zāi)時(shí),要及時(shí)撤出人員,并立即組織滅火和搶救傷員。

      5 結(jié)論

      放頂煤技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn),使得該技術(shù)在厚煤層開采中被大量采用。文中基于放礦理論及大量生產(chǎn)實(shí)踐,得出如下結(jié)論:

      1)在一定放煤高度條件下,合理確定放煤口間距是十分重要的。

      2)直接頂?shù)姆€(wěn)定性對(duì)頂煤放出率及安全影響較大。

      3)綜采設(shè)備的配套選擇及巷道的布置,應(yīng)依據(jù)煤層厚度及煤層傾角等因素選擇。

      4)放頂煤技術(shù)自身的特點(diǎn)決定了防止煤層自燃發(fā)火是放頂煤采煤法安全工作的重點(diǎn)。

      [1]徐永圻.煤礦開采學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2009:124-125.

      [2]于海涌,吳 健.放頂煤開采理論與實(shí)踐[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1992:43-45.

      [3]張 坤.急傾斜厚煤層綜放工作面頂煤放出的可控性研究[D].西安:西安科技大學(xué),2010.

      [4]蘇林軍,朱 峰.放頂煤液壓支架的創(chuàng)新與發(fā)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(4):85-88.

      [5]付永水.綜采放頂煤開采在易燃煤層中防止煤層自燃的實(shí)踐[J].煤礦安全,2004,35(8):8-10.

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