高瓦斯煤層放頂煤安全開采相關技術問題
高瓦斯煤層放頂煤安全開采相關技術問題
明科棟
山西省高平市南陽煤礦
摘 要
介紹我國放頂煤開采技術的發展過程，闡明放頂煤采煤法是一種既高產又安全的采煤方法。對於高瓦斯煤層進行放頂煤開采，在硬頂煤和硬頂板特殊的地質條件下，必須采取特殊的措施才能安全開采。
關鍵詞：安全開采；放頂煤； 高瓦斯煤層
1 概 述
近年來在放頂煤工作麵發生了數次嚴重的瓦斯爆炸02manbetx.com
，引起了國內上到國務院、國家煤礦安全生產監督管理局領導，下至煤炭同行的嚴重關注。例如：2004年11月28日銅川陳家山煤礦綜放工作麵發生瓦斯02manbetx.com
，死亡166人；2005年10月3日，鶴壁二礦放頂煤工作麵發生瓦斯爆炸02manbetx.com
，死亡31人。不少人甚至產生這樣的質疑：放頂煤采煤方法是否是本質不安全的采煤方法。有必要在這裏澄清對這一問題的看法。
普通放頂煤采煤法在國內外應用有悠久的曆史，可以追溯到20世紀初。而綜合機械化放頂煤采煤法是1964年首先在法國中南煤田布朗齊礦試驗成功的。我國從1982年開始試驗研究綜放開采技術，第一個緩傾斜特厚煤層一次采全高綜放工作麵於1984年4月在遼寧沈陽礦務局蒲河礦投入試驗。第一個急傾斜特厚煤層水平分層綜放開采工作麵，於1986年3月在窯街礦務局二礦投入試驗。
這兩個工作麵均在1986年試驗成功，取得了良好的技術經濟效果，並於當年進行了鑒定。在隨後的年代裏放頂煤開采包括綜合機械化放頂煤、單體液壓支柱放頂煤、滑移支架放頂煤，得到了迅猛發展。我國幾乎所有的厚煤層礦區均采用了放頂煤采煤法，傳統的分層開采已被放頂煤采煤方法取代。我國綜放開采技術已處在世界領先地位，並將這一技術輸出到國外。時至今日，我國每年的綜放產量接近1億t。
在綜放開采技術發展過程中，科研院所和高校與現場密切結合，在綜放開采采煤工藝、技術裝備、瓦斯治理、防火、粉塵治理、礦壓顯現、地表沉陷、頂煤頂板運移規律以及提高煤炭采出率等諸多方麵，進行了大量的研究工作，取得一係列研究成果，使綜放開采技術得以完善和提高。1994年，為了規範綜放開采技術，原煤炭工業部專門組建綜放專家組製定了《綜放開采技術暫行規定》。至此，綜放開采技術20多年來經過試驗、推廣完善及提高幾個階段，已經成為高產、高效、安全、經濟效益好的采煤方法，並成為我國厚煤層礦區建設高產高效集約化礦井的有效技術途徑之一。
2 高瓦斯煤層放頂煤開采應具備的條件
高瓦斯煤層的綜放開采安全問題最近幾年行受國內采礦界關注。多數礦區的實踐證明，高瓦斯煤層不但可以進行綜放開采，而且同樣可以實現高產高效，例如，靖遠礦務局魏家地煤礦是一個高瓦斯、易自燃、有突出危險的新建礦井，設計生產能力為150萬t／a，投產7年，采用分層綜采，全礦4個工作麵年產量之和僅為20萬～30萬t，礦井在采取措施，降低突出危險性後，采用綜放開采，在綜放工作麵投產的第2年，產量就超過了80萬t／a，何沒有發生瓦斯突出02manbetx.com
；淮南謝橋礦為設計年產量400萬t的新建礦井，為高瓦斯礦井，礦井設計時被定為具有煤及瓦斯突出危險，采取安全措施後，在厚度不超過5m的煤層中用綜放開采，未發生突出事故， 目前工作麵生產能力已達到200萬t／a以上。我國還有不少礦區的較薄厚煤層均采用放頂煤采煤方法。如徐州、淮北、邯鄲、峰峰等煤礦，煤層厚度4．5～5 m，礦井的地質條件和經濟條件又不允許采用大采高綜采，采用放頂煤采煤法開采是最好的選擇。
鑒於高瓦斯煤層進行放頂煤開采在安全方麵有其特殊性，主要表現在放頂煤工作上隅角發生瓦斯超限，采空區如有空洞易形成瓦斯庫，采空區遺煤自燃，易發生瓦斯爆炸事故等。因此，高瓦斯煤層進行放頂煤開采時，對其地質條件應有特殊要求。
2．1 煤層直接頂板及底板岩性與厚度
從放頂煤開采提高采出率出發，不但要求頂煤能隨采隨冒，也要求煤層的直接頂能隨采隨冒，而且要求直接頂的垮落高度，至少等於煤層的厚度。高瓦斯煤層進行放頂煤開采也必須滿足這一要求，主要是出於安全的考慮。如果直接頂不能隨采隨冒，或雖能隨采隨冒，但垮落厚度小，不足以充填采空區，則必然在采空區形成空洞，給瓦斯積聚提供了空間(圖1)。同時，直接頂垮落充填厚度不足以形成工作麵和采空區空洞之間的安全隔離帶造成漏風，給空洞提供供氧條件，則空洞裏的瓦斯一旦達到爆炸或爆燃濃度遇石英法的基本頂垮落產生的火花或工作麵巷道尾部中錨斷裂產生的火花，就會發生瓦斯爆燃事故，並波及工作麵。特別是在工作麵初采期間，直接頂不能充分垮落，極易形成這樣的條件(圖2)
在堅硬頂煤條件下進行放頂煤，國內已有成熟的經驗。即通過頂煤的軟化處理，改善頂煤的冒放性，主要手段是注水軟化和預爆破處理。對於注水特性好的煤層以注水軟化為最佳選擇。因為這種方法除了軟化頂煤外，還可以起到防塵、降溫，隻能預防自然發火，排放瓦斯的作用。對於注水特性不好的煤層，隻能采用預爆破的方法進行頂煤軟化處理。所謂預處理，就是在頂煤中的工藝巷裏或工作麵的兩個平巷裏，超前工作麵一定距離進行深孔預爆破。在有些礦區，對工作麵局部塊段或兩端頭處頂煤不易垮落的頂煤，也有實施架間爆破的。從安全角度考慮頂煤軟化對於高瓦斯煤層，更重要的是避免頂煤垮落不充分，在采空區形成空洞，積聚瓦斯，造成安全隱患。在工作麵兩端或局部地段進行頂煤鬆動爆破處理時，應控製鑽孔的位置和方向，保證鬆動爆破不致和采空區連通。要求打眼工作應在工作麵煤壁附近進行，鑽孔的位置距煤壁的距離不應大於1 m，鑽孔向采空區方向的傾角不超過15。。在預采頂分層網下進行放頂煤開采時，鑽孔的孔底距頂分層底板的距離不應小於0．5 m。
當煤層頂板堅硬或直接頂很薄時，對放頂煤是不利的。一般情況下即使進行頂煤軟化處理，效果也是不理想的。即使不考慮采出率，在高瓦斯情況下，采空區空洞積聚瓦斯是不可避免的。因而對於高瓦斯厚煤層，如果煤厚度在5～6 m以上，則建議采用預采頂分層放頂煤采煤法(圖3)。即先采一個頂分層(鋪網或不鋪網均 可)，將頂板放下來，然後再沿煤層底板進行放頂煤開采。預采頂分層對於高瓦斯煤層還有一個好處，就是在采頂分層時，可以釋放煤層的瓦斯，起到開采解放層的作用。如果高瓦斯煤層的厚度在5 m以下，頂板又不易垮落，則最好選用其他采煤法。
2．2 堅硬頂煤和堅硬頂板放頂煤開采
在堅硬頂煤條件下進行放頂煤，國內已有成熟的經驗。即通過頂煤的軟化處理，改善頂煤的冒放性，主要手段是注水軟化和預爆破處理。對於注水特性好的煤層以注水軟化為最佳選擇。因為這種方法除了軟化頂煤外，還可以起到防塵、降溫，隻能預防自然發火，排放瓦斯的作用。對於注水特性不好的煤層，隻能采用預爆破的方法進行頂煤軟化處理。所謂預處理，就是在頂煤中的工藝巷裏或工作麵的兩個平巷裏，超前工作麵一定距離進行深孔預爆破。在有些礦區，對工作麵局部塊段或兩端頭處頂煤不易垮落的頂煤，也有實施架間爆破的。從安全角度考慮頂煤軟化對於高瓦斯煤層，更重要的是避免頂煤垮落不充分，在采空區形成空洞，積聚瓦斯，造成安全隱患。在工作麵兩端或局部地段進行頂煤鬆動爆破處理時，應控製鑽孔的位置和方向，保證鬆動爆破不致和采空區連通。要求打眼工作應在工作麵煤壁附近進行，鑽孔的位置距煤壁的距離不應大於1 m，鑽孔向采空區方向的傾角不超過15。。在預采頂分層網下進行放頂煤開采時，鑽孔的孔底距頂分層底板的距離不應小於0．5 m。
當煤層頂板堅硬或直接頂很薄時，對放頂煤是不利的。一般情況下即使進行頂煤軟化處理，效果也是不理想的。即使不考慮采出率，在高瓦斯情況下，采空區空洞積聚瓦斯是不可避免的。因而對於高瓦斯厚煤層，如果煤厚度在5～6 m以上，則建議采用預采頂分層放頂煤采煤法(圖3)。即先采一個頂分層(鋪網或不鋪網均 可)，將頂板放下來，然後再沿煤層底板進行放頂煤開采。預采頂分層對於高瓦斯煤層還有一個好處，就是在采頂分層時，可以釋放煤層的瓦斯，起到開采解放層的作用。如果高瓦斯煤層的厚度在5 m以下，頂板又不易垮落，則最好選用其他采煤法。
(4)Y形通風係統，在采用無煤柱巷旁充填護巷，進行放頂煤開采時，在采空區保留一條巷道，作為回風巷，而工作麵的2個平巷做進風用,形成兩進一回的通風格局。如圖5所示。
4．1 采煤機割煤速度和放頂煤速度
回采工作麵煤壁瓦斯湧出量的計算公式如下：
Qm=Vmh(1－exp) (1)
式中 Qm ── 煤壁瓦斯湧出量，m3 ／min；
Vm── 采煤機割煤速度，m／min；
h ── 截割高度，m；
── 回采工作麵煤壁瓦斯的湧出強度，m3／(min·m2 )；
── 瓦斯湧出衰減係數，min-1；
── 工作麵長度，m。
回采工作麵采(放)落煤塊瓦斯湧出量的計算公式如下：
Qk=Xcηm (2)
式中Xc為單位煤塊重量在回采工作麵停留時間之內湧出的瓦斯量,m3 ／t；ηm為采煤機落煤(放煤)效率，t／min，ηm = HBγ，其中H為截割高度或放煤高度，m；B為采煤機截深或放煤步距，m；γ為煤體容重，kN／m3 。
從式(1)、式(2)看出，煤壁和采落煤塊的瓦斯湧出量，都與采煤機的割煤速度或放煤速度成正比。因而在高瓦斯放頂煤工作麵，應控製割煤速度和放煤速度，否則會造成工作麵局部瓦斯超限。割煤速度和放煤速度應通過實測確定。即在采煤機割煤或放煤時，在采煤機和放煤口下風口處檢測瓦斯濃度，改變割煤速度和放煤速度，以瓦斯不超限時的速度為該工作麵的合理割(放)煤速度。
4．2 頂煤的軟化處理工藝
如遇頂煤堅硬不能隨采隨冒，如不進行頂煤軟化處理，改善頂煤的冒放性，必然會丟失大量的頂煤。在高瓦斯堅硬煤層進行頂煤軟化處理時必須選擇合理的頂煤軟化方法。
4．3 高瓦斯放頂煤工作麵的初次放頂
放頂煤工作麵在頂煤和直接頂初次垮落之前采空區未能充填，此時最宜在采空區積聚大量瓦斯，而且在切眼裏采用錨杆、錨索支護。一旦頂煤或頂板垮落時，錨杆(索)斷裂，摩擦極易產生火花。如不采取防範 措施，就會發生瓦斯爆燃事故。在高瓦斯放頂煤工作麵初次放頂時必須采取以下措施：
(1)在工作麵離開切眼前對切眼上方的頂煤和後方煤柱實施爆破處理，使頂煤的初次垮落步距為零。
(2)在直接頂垮落之前不得進行放頂煤。如果此時大量放頂煤將采空區放空，必然形成巨大的積聚瓦斯空間。
(3)應采取縮小直接頂的初次垮落步距，有效的方法是在工作麵切眼的上方頂煤中，沿頂板掘一輔助切眼，在輔助切眼裏，對直接頂進行拉槽預爆破處理，可使直接頂的初次垮落步距縮減為零。
5 高瓦斯煤層放頂煤工作麵的防火問題
高瓦斯煤層進行放頂煤開采時，除采用常規的綜合防滅火措施外，必須考慮防治瓦斯和防火之間的關係。應從以下幾方麵著手解決這一問題。
(1)從某種意義上講，采空區積聚瓦斯，必然減少采空區的供氧量，因而對防火是有利的，但采空區瓦斯如果大量湧人工作麵，則必對工作麵安全帶來威脅。為避免采空區瓦斯湧人工作麵，可以改變工作麵的推進方向，即使工作麵沿煤層偽俯斜布置，使工作麵的推進方向變為偽俯斜向下推進，這樣采空區的瓦斯向上運動，不致湧人工作麵內。
(2)在采用u+L形通風係統時，應盡量縮短回風流經過采空區的路線或避免回風流經過采空區，以防止采空區漏風。
(3)在u形或E形通風條件下，應加強工作麵兩端頭尾巷的密閉，防止采空區漏風。在E形通風條件下，應盡可能通過高抽巷或排瓦斯巷排放采空區瓦斯，以減少采空區的瓦斯含量。
(4)在Y形通風條件下，應對巷旁充填帶進行噴漿或泡沫塑料噴塗，防止充填帶漏風。
(5)在任何通風條件下，都應加強工作麵的推進速度，以盡快使采空區厭氧帶的出現時間小於煤炭自然發火期。
參考文獻
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