综采放顶煤回采工作面矿压控制

1、Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-41综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制 放顶煤采煤工艺的实质是，在开采煤层的底部放顶煤采煤工艺的实质是，在开采煤层的底部(或沿底板，或在煤层中某或沿底板，或在煤层中某一高度范围的底部一高度范围的底部)布置一个回采工作面，用正常的机械化方法进行回来，工布置一个回采工作面，用正常的机械化方法进行回来，工作面上方的顶煤，利用矿山压力作用或辅以人工松动方法使其破碎，并随工作作面上方的顶煤，利用矿山压力作用或辅以人工松动方法使其破碎，并随工作面推进在后方放出，这种采煤工艺称为放顶煤

2、采煤工艺。面推进在后方放出，这种采煤工艺称为放顶煤采煤工艺。 1957年苏联开始试验综合机械化放顶煤采煤方法，特别是在年苏联开始试验综合机械化放顶煤采煤方法，特别是在1964年法年法国首先试验成功以后，一些主要产煤国家相继引进了这一技术，并十分重视。国首先试验成功以后，一些主要产煤国家相继引进了这一技术，并十分重视。目前，主要产煤国家已普遍认为它是开采厚度目前，主要产煤国家已普遍认为它是开采厚度520m的厚煤层最好的工艺方的厚煤层最好的工艺方法之一。法之一。生产实践表明，采煤工艺的关键：顶煤破碎和被顺利放出。生产实践表明，采煤工艺的关键：顶煤破碎和被顺利放出。Ground Pressure a

3、nd Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-42综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-43综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制 综合机械化放顶煤采煤工艺的主要生产过程是：在工作面中，采煤机综合机械化放顶煤采煤工艺的主要生产过程是：在工作面中，采煤机割煤后，液压支架及时支护，移到新的位置，推移工作面输送机；待采割煤后，液压支架及时支护，移到新的位置，推移工作面输送机；待采过两、三刀后，即工作面推进约过两、三刀后，即工作面推进约1.2-

4、1.8m后，工作面暂停开采；按放煤后，工作面暂停开采；按放煤工艺要求顺序打开支架后方的放煤窗口，放出已松碎的顶煤，至见矸石工艺要求顺序打开支架后方的放煤窗口，放出已松碎的顶煤，至见矸石时，立即关闭放煤窗口；将工作面全长的顶煤全部放出后，再进行端头时，立即关闭放煤窗口；将工作面全长的顶煤全部放出后，再进行端头支护和其它辅助工序。支护和其它辅助工序。 完成上述全部工序即为一个采煤工艺循环过程。但是这两个工艺过完成上述全部工序即为一个采煤工艺循环过程。但是这两个工艺过程在工作面全长内程在工作面全长内分段同时进行分段同时进行。这种回采工作面称为放顶煤回采工作。这种回采工作面称为放顶煤回采工作面。面。

5、根据煤层及围岩的赋存条件根据煤层及围岩的赋存条件(厚度和物理力学性质等厚度和物理力学性质等)，正常回采工，正常回采工作面可有不同的布置位置，采煤工艺可分为三种不同的类型。作面可有不同的布置位置，采煤工艺可分为三种不同的类型。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-44综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制6.1综采放顶煤开采技术及特点综采放顶煤开采技术及特点 6.1.1 按工作面布置方式分类按工作面布置方式分类（1）整层放顶煤采煤法）整层放顶煤采煤法 直接沿底板直接沿底板布置放顶煤工作布置放顶煤工作面，当采煤工作面

6、，当采煤工作面推进一定的距面推进一定的距离后，就将上部离后，就将上部顶煤放出，这样顶煤放出，这样一次采出煤层的一次采出煤层的全部厚度。全部厚度。 Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-45综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制（2）预采顶分层采煤法）预采顶分层采煤法 沿顶板在煤层中布置沿顶板在煤层中布置一个普通长壁采煤工作面一个普通长壁采煤工作面（即采顶分层），然后再（即采顶分层），然后再沿底板布置放顶煤工作面沿底板布置放顶煤工作面进行回采，将底分层上部进行回采，将底分层上部的顶煤放出。的顶煤放出。 该采煤法应解

7、决三个问题：一是直接顶坚硬或厚度较薄，不能随采随冒，需该采煤法应解决三个问题：一是直接顶坚硬或厚度较薄，不能随采随冒，需要人工措施处理顶板；二是防止在底部放顶煤时发生混矸；三是当煤层中瓦斯含要人工措施处理顶板；二是防止在底部放顶煤时发生混矸；三是当煤层中瓦斯含量较大或有突出危险时，预采顶分层可起到预先释放瓦斯，或进行抽放工作。量较大或有突出危险时，预采顶分层可起到预先释放瓦斯，或进行抽放工作。 Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-46综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制（3）预采中间分层放顶煤采煤法）预采中间

8、分层放顶煤采煤法 先在煤层中间布置一个普通长壁采煤工作面进行开采。然后，再沿底板布先在煤层中间布置一个普通长壁采煤工作面进行开采。然后，再沿底板布置放顶煤采煤工作面。置放顶煤采煤工作面。 对厚度大于对厚度大于10m，硬度较大，难以直接放落的煤层或需预疏干的煤层，可，硬度较大，难以直接放落的煤层或需预疏干的煤层，可采用这种采煤法使顶煤预先垮落松碎，然后再放煤回收。采用这种采煤法使顶煤预先垮落松碎，然后再放煤回收。 顶煤预先垮落松碎，还将增加自然发火的危险性和放煤时的煤尘量。顶煤预先垮落松碎，还将增加自然发火的危险性和放煤时的煤尘量。Ground Pressure and Strata Contr

9、ol资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-47综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制（4）水平分段放顶煤采煤法）水平分段放顶煤采煤法 对于厚度超过对于厚度超过20m，甚至上百，甚至上百米的极厚煤层，可以把煤层厚度按米的极厚煤层，可以把煤层厚度按10m20m分成若干个分段，使用分成若干个分段，使用放顶煤采煤法依次自上而下分段回放顶煤采煤法依次自上而下分段回采。这种方法叫做极厚煤层分段放采。这种方法叫做极厚煤层分段放顶煤采煤法。顶煤采煤法。 在急倾斜特厚煤层中，水平分段放顶煤采煤法类似于水平分层采煤法，其在急倾斜特厚煤层中，水平分段放顶煤采煤法类似于水平分层采煤法，其差别是按高度划分

10、为分段，在分段底部采用水平分层采煤法的落煤方式（机采差别是按高度划分为分段，在分段底部采用水平分层采煤法的落煤方式（机采或炮采），分段上部的煤炭由采场后方放出运走。或炮采），分段上部的煤炭由采场后方放出运走。 Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-48综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制6.1.2 按支护方式的放顶煤技术分类按支护方式的放顶煤技术分类（1）综采放顶煤（综放）综采放顶煤（综放）采用综采放顶煤支架进行放顶煤开采的称之为综采放顶煤，简称采用综采放顶煤支架进行放顶煤开采的称之为综采放顶煤，简称“综放综放

11、”。（2）轻型综采放顶煤（轻放）轻型综采放顶煤（轻放） 轻型综采放顶煤与综采放顶煤类似，是在综采放顶煤的基础上，将综采放轻型综采放顶煤与综采放顶煤类似，是在综采放顶煤的基础上，将综采放顶煤支架改造，使支架重量大幅度降低，成为轻型结构，自动放煤。顶煤支架改造，使支架重量大幅度降低，成为轻型结构，自动放煤。（3）悬移支架放顶煤（简放）悬移支架放顶煤（简放） 悬移支架是一种无底座由顶梁与双作用（支、移）液压支柱等组成，是可悬移支架是一种无底座由顶梁与双作用（支、移）液压支柱等组成，是可提腿迈步前移的支架，支架靠两个相邻的顶梁交错向前移动来前移。由于支架提腿迈步前移的支架，支架靠两个相邻的顶梁交错向前

12、移动来前移。由于支架一般没有放煤机构，一般靠一般没有放煤机构，一般靠人工方式放煤人工方式放煤，简称为，简称为“简放简放”。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-49综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制6.2 综放采场顶板结构及综放采场顶板结构及“支架支架围岩围岩”关系关系 6.2.1 需控岩层范围需控岩层范围 放顶煤采场放顶煤采场的需控岩层，的需控岩层，主要指直接顶主要指直接顶和顶煤，一般和顶煤，一般而言由于顶煤而言由于顶煤的存在，基本的存在，基本顶的运动效应顶的运动效应将被顶煤将被顶煤“弱弱化化”，变为次，变

13、为次要的控制对象。要的控制对象。工作面煤层厚度直接顶垮落高度不规则垮落高度规则垮落高度高度HH/M高度H1H1/M高度H2H2/M三河尖矿71319.0020.322.3110.491.1710.331.13扎局11#井综放面12.0032.002.6711.901.0020.101.67三河尖矿71216.5013.342.056.531.016.771.04旗山矿31194.5010.502.334.501.006.001.33大屯徐庄矿综放面5.5015.132.765.951.089.231.68王庄矿43697.0214.202.027.601.086.600.94鹤壁六矿2503-

14、25.2010.792.086.261.204.530.88扎局灵北矿综放面12.0022.001.8312.001.0010.000.83阳泉一矿86036.3813.202.047.801.226.641.04兴隆庄矿53067.8817.562.2411.401.466.270.80平均2.231.121.11表表6.1 我国部分综放面直接顶垮落高度的模拟和实测结果我国部分综放面直接顶垮落高度的模拟和实测结果Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-410综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制（1）直接顶厚度）

15、直接顶厚度 在放顶煤采场，煤从垮在放顶煤采场，煤从垮落到放完是一个动态过程，落到放完是一个动态过程，此过程中直接顶的厚度是变此过程中直接顶的厚度是变化的，亦即基本顶的厚度与化的，亦即基本顶的厚度与位态也是变化的。位态也是变化的。 直接顶厚度：直接顶厚度： 1C - S - T HAAzKmGround Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-411综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制（2）基本顶作用）基本顶作用 由于放顶煤开采的特殊性，基本顶活动的矿压显现是通过直接顶及顶煤由于放顶煤开采的特殊性，基本顶活动的矿压显现是通过直接

16、顶及顶煤介质传递到工作面煤壁及支架，多数采场基本顶运动在工作面的矿压显现并介质传递到工作面煤壁及支架，多数采场基本顶运动在工作面的矿压显现并不十分明显。不十分明显。6.2.2 放顶煤采场的顶板结构放顶煤采场的顶板结构（1）“煤煤煤煤”结构结构 在顶煤较厚、煤层结构复杂的情况在顶煤较厚、煤层结构复杂的情况下，很可能出现支架上方未冒顶煤与采下，很可能出现支架上方未冒顶煤与采空区已冒顶煤之间的拱式平衡结构，且空区已冒顶煤之间的拱式平衡结构，且这个结构人为不易破坏这个结构人为不易破坏 。图图6.5 “煤煤煤煤”结构示意图结构示意图Ground Pressure and Strata Control资源

17、与环境工程学院-资源工程1系2022-3-412综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制出现这种采场结构的条件：出现这种采场结构的条件： 顶煤中存在较厚、较硬的夹矸，顶煤中存在较厚、较硬的夹矸，大块夹矸大块夹矸形成形成“煤煤煤煤”结构的结构的基底岩层基底岩层；上部顶煤坚硬，呈大块状垮落，或煤中含有粘土成分，呈团块状垮落。上部顶煤坚硬，呈大块状垮落，或煤中含有粘土成分，呈团块状垮落。（2）“岩岩矸矸”结构结构假定在上一放煤循环中假定在上一放煤循环中垮落的顶煤已全部放出，垮落的顶煤已全部放出，且空穴被矸石全部充满，且空穴被矸石全部充满，此时采空区内煤岩的状态此时采空区内煤岩的状态如图所示，下位

18、岩层呈不如图所示，下位岩层呈不规则垮落，上位岩层呈大规则垮落，上位岩层呈大块状较规则地垮落。块状较规则地垮落。 未垮落岩层与已垮落矸石挤压而形成的半拱结构。未垮落岩层与已垮落矸石挤压而形成的半拱结构。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-413综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制（3）岩梁结构）岩梁结构 煤层上存在大厚度坚硬岩层且直接顶厚度较小、顶煤较薄煤层上存在大厚度坚硬岩层且直接顶厚度较小、顶煤较薄 。该结构存在的判别依据该结构存在的判别依据 ：(1)zAMhTmKCM：坚硬岩层厚度（一次同时运动的厚：坚硬

19、岩层厚度（一次同时运动的厚度，有时不是岩层的总厚度）；度，有时不是岩层的总厚度）； Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-414综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制6.2.3 放顶煤采场的放顶煤采场的“支架支架围岩围岩”关系关系（1）“煤煤煤煤”结构下的支架围岩关系结构下的支架围岩关系 支架应能同时承担下位和上位顶煤的作用力，并同时考虑基本顶的作用，支架应能同时承担下位和上位顶煤的作用力，并同时考虑基本顶的作用，此种结构下支架围岩关系式：此种结构下支架围岩关系式：21()TtcPPTPTpGround Pres

20、sure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-415综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制（2）“岩岩矸矸”结构下的支架围岩关系结构下的支架围岩关系TtzzcPTmp（3）岩梁结构下的支架围岩关系）岩梁结构下的支架围岩关系TtzzcPTmp mz：直接顶的厚度，：直接顶的厚度，m。 基本顶的运动对工作面矿压显现的差异较大，其动载系数一般在基本顶的运动对工作面矿压显现的差异较大，其动载系数一般在1.051.8之间，由于岩梁结构运动时压力显现明显，因此之间，由于岩梁结构运动时压力显现明显，因此选择基本顶来压选择基本顶来压时的动载系数时应比其它两种

21、结构下的大时的动载系数时应比其它两种结构下的大，以避免基本顶来压时对支架产，以避免基本顶来压时对支架产生大的冲击。生大的冲击。 Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-416综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制6.3 综采放顶煤工作面顶板事故案例综采放顶煤工作面顶板事故案例6.3.1 三软煤层条件顶板事故三软煤层条件顶板事故 在该类条件下，放顶煤顶板控制出现的问题主要是片帮、冒顶、支架工在该类条件下，放顶煤顶板控制出现的问题主要是片帮、冒顶、支架工作状态不好等。作状态不好等。 6.3.2 中硬以上煤层条件顶板事故

22、中硬以上煤层条件顶板事故（1）初次放顶后大面积空顶来压产生严重动压冲击事故）初次放顶后大面积空顶来压产生严重动压冲击事故 山西某矿某综放面山西某矿某综放面,选用选用FD-165/2.6型放顶煤液压支架。顶煤厚型放顶煤液压支架。顶煤厚3.65m，采高采高2.4m，直接顶、基本顶为石灰岩，厚，直接顶、基本顶为石灰岩，厚12m以上，初采以上，初采4m后开始放煤，后开始放煤，至基本顶初次垮落时，顶板最大悬顶面积达至基本顶初次垮落时，顶板最大悬顶面积达1500m2，垮落时支架产生了强，垮落时支架产生了强大冲击。致使立柱安全阀和前梁安全阀全部开启，部分管路崩裂，大冲击。致使立柱安全阀和前梁安全阀全部开启，

23、部分管路崩裂，60#架推架推移千斤顶盖被掀起，回风顺槽风速达移千斤顶盖被掀起，回风顺槽风速达37m/s，由于支架设计强度较合理，支，由于支架设计强度较合理，支架并未遭到严重破坏，计算该冲击动压最少达架并未遭到严重破坏，计算该冲击动压最少达0.806MPa，冲击系数，冲击系数2.2以上。以上。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-417综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制（2）工作面正常推进阶段顶板）工作面正常推进阶段顶板“异常异常”矿压事故（山东）矿压事故（山东） 当工作面推进到当工作面推进到1426m，工作面

24、轨道巷压力较大，顶板下沉、底鼓严重，工作面轨道巷压力较大，顶板下沉、底鼓严重，最大底鼓达最大底鼓达0.8m，工作面液压支架平均阻力为，工作面液压支架平均阻力为3375kN，并发现，并发现12080号支架号支架压力比较大。部分支架阻力剧增，支架下缩非常明显，支架基本被压死，立柱卡压力比较大。部分支架阻力剧增，支架下缩非常明显，支架基本被压死，立柱卡环崩坏较多。工作面不时听到顶板的断裂声，支架平均阻力达到环崩坏较多。工作面不时听到顶板的断裂声，支架平均阻力达到5240kN，中部，中部最大值为最大值为7211kN，安全阀普遍开启，部分安全阀成雾状喷射，顶板处于剧烈活，安全阀普遍开启，部分安全阀成雾状

25、喷射，顶板处于剧烈活动阶段。异常来压期间有动阶段。异常来压期间有67个液压支架被压死，压坏立柱个液压支架被压死，压坏立柱102根，支架前连杆压根，支架前连杆压坏坏33个，致使工作面停产个，致使工作面停产20余天。余天。 工作面来压后，顶板出现淋水，随着顶板的不断下沉，采空区出水增大，工作面来压后，顶板出现淋水，随着顶板的不断下沉，采空区出水增大，工作面涌水量达到工作面涌水量达到200m3/h以上，并逐渐增加，直到工作面压力已基本趋以上，并逐渐增加，直到工作面压力已基本趋于稳定后，涌水量已达到于稳定后，涌水量已达到527.13m3/h。工作面局部积水，水深。工作面局部积水，水深2m。次后又。次后又出现了两次突水，造成停产。出现了两次突水，造成停产。Ground Pressure and Strata Control资源与环境工程学院-资源工程1系2022-3-418综采放顶煤采场矿压控制综采放顶煤采场矿压控制事故原因事故原因（）顶板岩层较厚且整体性较好，这就使得基本顶易产生）顶板岩层较厚且整体性较好，这就使得基本顶易产生大面积悬顶大面积悬顶，长，长时间不垮落；时间不垮落；（）顶板砂岩）顶板砂岩含水丰富含水丰富，赋水面积大。当采动裂隙达到含水层富水区段时，赋水面积大。当