高瓦斯煤层放顶煤安全开采相关技术问题
明科栋
飞禽走兽老虎机：高平市南阳煤矿
摘 要
介绍我国放顶煤开采技术的发展过程，阐明放顶煤采煤法是一种既高产又安全的采煤方法。对于高瓦斯煤层进行放顶煤开采，在硬顶煤和硬顶板特殊的地质条件下，必须采取特殊的措施才能安全开采。
关键词：安全开采；放顶煤； 高瓦斯煤层
1 概 述
近年来在放顶煤工作面发生了数次严重的瓦斯爆炸事故，引起了国内上到国务院、国家煤矿安全生产监督管理局领导，下至煤炭同行的严重关注。例如：2004年11月28日铜川陈家山煤矿综放工作面发生瓦斯事故，死亡166人；2005年10月3日，鹤壁二矿放顶煤工作面发生瓦斯爆炸事故，死亡31人。不少人甚至产生这样的质疑：放顶煤采煤方法是否是本质不安全的采煤方法。有必要在这里澄清对这一问题的看法。
普通放顶煤采煤法在国内外应用有悠久的历史，可以追溯到20世纪初。而综合机械化放顶煤采煤法是1964年首先在法国中南煤田布朗齐矿试验成功的。我国从1982年开始试验研究综放开采技术，第一个缓倾斜特厚煤层一次采全高综放工作面于1984年4月在辽宁沈阳矿务局蒲河矿投入试验。第一个急倾斜特厚煤层水平分层综放开采工作面，于1986年3月在窑街矿务局二矿投入试验。
这两个工作面均在1986年试验成功，取得了良好的技术经济效果，并于当年进行了鉴定。在随后的年代里放顶煤开采包括综合机械化放顶煤、单体液压支柱放顶煤、滑移支架放顶煤，得到了迅猛发展。我国几乎所有的厚煤层矿区均采用了放顶煤采煤法，传统的分层开采已被放顶煤采煤方法取代。我国综放开采技术已处在世界领先地位，并将这一技术输出到国外。时至今日，我国每年的综放产量接近1亿t。
在综放开采技术发展过程中，科研院所和高校与现场密切结合，在综放开采采煤工艺、技术装备、瓦斯治理、防火、粉尘治理、矿压显现、地表沉陷、顶煤顶板运移规律以及提高煤炭采出率等诸多方面，进行了大量的研究工作，取得一系列研究成果，使综放开采技术得以完善和提高。1994年，为了规范综放开采技术，原煤炭工业部专门组建综放专家组制定了《综放开采技术暂行规定》。至此，综放开采技术20多年来经过试验、推广完善及提高几个阶段，已经成为高产、高效、安全、经济效益好的采煤方法，并成为我国厚煤层矿区建设高产高效集约化矿井的有效技术途径之一。
2 高瓦斯煤层放顶煤开采应具备的条件
高瓦斯煤层的综放开采安全问题最近几年行受国内采矿界关注。多数矿区的实践证明，高瓦斯煤层不但可以进行综放开采，而且同样可以实现高产高效，例如，靖远矿务局魏家地煤矿是一个高瓦斯、易自燃、有突出危险的新建矿井，设计生产能力为150万t／a，投产7年，采用分层综采，全矿4个工作面年产量之和仅为20万～30万t，矿井在采取措施，降低突出危险性后，采用综放开采，在综放工作面投产的第2年，产量就超过了80万t／a，何没有发生瓦斯突出事故；淮南谢桥矿为设计年产量400万t的新建矿井，为高瓦斯矿井，矿井设计时被定为具有煤及瓦斯突出危险，采取安全措施后，在厚度不超过5m的煤层中用综放开采，未发生突出事故， 目前工作面生产能力已达到200万t／a以上。我国还有不少矿区的较薄厚煤层均采用放顶煤采煤方法。如徐州、淮北、邯郸、峰峰等煤矿，煤层厚度4．5～5 m，矿井的地质条件和经济条件又不允许采用大采高综采，采用放顶煤采煤法开采是最好的选择。
鉴于高瓦斯煤层进行放顶煤开采在安全方面有其特殊性，主要表现在放顶煤工作上隅角发生瓦斯超限，采空区如有空洞易形成瓦斯库，采空区遗煤自燃，易发生瓦斯爆炸事故等。因此，高瓦斯煤层进行放顶煤开采时，对其地质条件应有特殊要求。
2．1 煤层直接顶板及底板岩性与厚度
从放顶煤开采提高采出率出发，不但要求顶煤能随采随冒，也要求煤层的直接顶能随采随冒，而且要求直接顶的垮落高度，至少等于煤层的厚度。高瓦斯煤层进行放顶煤开采也必须满足这一要求，主要是出于安全的考虑。如果直接顶不能随采随冒，或虽能随采随冒，但垮落厚度小，不足以充填采空区，则必然在采空区形成空洞，给瓦斯积聚提供了空间(图1)。同时，直接顶垮落充填厚度不足以形成工作面和采空区空洞之间的安全隔离带造成漏风，给空洞提供供氧条件，则空洞里的瓦斯一旦达到爆炸或爆燃浓度遇石英法的基本顶垮落产生的火花或工作面巷道尾部中锚断裂产生的火花，就会发生瓦斯爆燃事故，并波及工作面。特别是在工作面初采期间，直接顶不能充分垮落，极易形成这样的条件(图2)
2．2 坚硬顶煤和坚硬顶板放顶煤开采
在坚硬顶煤条件下进行放顶煤，国内已有成熟的经验。即通过顶煤的软化处理，改善顶煤的冒放性，主要手段是注水软化和预爆破处理。对于注水特性好的煤层以注水软化为最佳选择。因为这种方法除了软化顶煤外，还可以起到防尘、降温，只能预防自然发火，排放瓦斯的作用。对于注水特性不好的煤层，只能采用预爆破的方法进行顶煤软化处理。所谓预处理，就是在顶煤中的工艺巷里或工作面的两个平巷里，超前工作面一定距离进行深孔预爆破。在有些矿区，对工作面局部块段或两端头处顶煤不易垮落的顶煤，也有实施架间爆破的。从安全角度考虑顶煤软化对于高瓦斯煤层，更重要的是避免顶煤垮落不充分，在采空区形成空洞，积聚瓦斯，造成安全隐患。在工作面两端或局部地段进行顶煤松动爆破处理时，应控制钻孔的位置和方向，保证松动爆破不致和采空区连通。要求打眼工作应在工作面煤壁附近进行，钻孔的位置距煤壁的距离不应大于1 m，钻孔向采空区方向的倾角不超过15。。在预采顶分层网下进行放顶煤开采时，钻孔的孔底距顶分层底板的距离不应小于0．5 m。
当煤层顶板坚硬或直接顶很薄时，对放顶煤是不利的。一般情况下即使进行顶煤软化处理，效果也是不理想的。即使不考虑采出率，在高瓦斯情况下，采空区空洞积聚瓦斯是不可避免的。因而对于高瓦斯厚煤层，如果煤厚度在5～6 m以上，则建议采用预采顶分层放顶煤采煤法(图3)。即先采一个顶分层(铺网或不铺网均 可)，将顶板放下来，然后再沿煤层底板进行放顶煤开采。预采顶分层对于高瓦斯煤层还有一个好处，就是在采顶分层时，可以释放煤层的瓦斯，起到开采解放层的作用。如果高瓦斯煤层的厚度在5 m以下，顶板又不易垮落，则最好选用其他采煤法。
3 高瓦斯煤层放顶煤开采的巷道布置
高瓦斯放顶煤工作面的巷道布置必须保证工作面回风巷和工作面上隅角的瓦斯不超限。工作面通风即要考虑稀释采煤机落煤、放顶煤等工序所释放出的瓦斯，同时也要考虑采空区和上部煤岩体由于采动破坏析放并涌人工作面的瓦斯。因而放顶煤工作面的巷道布置从通风角度考虑有各种形式，有平面多巷布置方式。
(1)U形布置。工作面采用一进一回通风方式。这种通风方式易出现工作面回风巷和工作面上隅角瓦斯超限。因而不适宜高产工作面。遇到工作面上隅角瓦斯超限时，多采用风障和局部通风机进行稀释。
(2)E形通风系统或称U+L立体通风方式。即在U形通风系统的基础上，在顶煤中另掘一条排瓦斯巷，形成第二条回风巷或在多数情况下作为抽瓦斯巷。这种方式可有效解除工作面上隅角瓦斯超限现象，并能有效地排出顶煤中释放的瓦斯。布置在煤层顶板岩石中高抽巷亦属于此种类型通风系统。
(3)U+L平面多巷通风系统。即在U形通风系统的基础上，增加一条巷道，形成一进两回或两进一回的通风格局(图4)。
(4)Y形通风系统，在采用无煤柱巷旁充填护巷，进行放顶煤开采时，在采空区保留一条巷道，作为回风巷，而工作面的2个平巷做进风用,形成两进一回的通风格局。如图5所示。
(5)Y+L形通风系统。在Y形通风的基础上，另掘一条回风巷，形成两进两回的通风格局，如图6所示。
(6)E+L形通风系统。在E形通风系统的基础上，为增加工作面上部的排瓦斯能力，在工作面回风巷外侧另掘一条巷道作为回风巷，形成一进两回一抽的通风格局，如图7所示。
4 高瓦斯放顶煤工作面的采煤工艺
4．1 采煤机割煤速度和放顶煤速度
回采工作面煤壁瓦斯涌出量的计算公式如下：
Qm=Vmh
(1－exp
) (1)
式中 Qm ── 煤壁瓦斯涌出量，m3 ／min；
Vm── 采煤机割煤速度，m／min；
h ── 截割高度，m；
── 回采工作面煤壁瓦斯的涌出强度，m3／(min·m2 )；
── 瓦斯涌出衰减系数，min-1；
── 工作面长度，m。
回采工作面采(放)落煤块瓦斯涌出量的计算公式如下：
Qk=Xcηm (2)
式中Xc为单位煤块重量在回采工作面停留时间之内涌出的瓦斯量,m3 ／t；ηm为采煤机落煤(放煤)效率，t／min，ηm = HBγ，其中H为截割高度或放煤高度，m；B为采煤机截深或放煤步距，m；γ为煤体容重，kN／m3 。
从式(1)、式(2)看出，煤壁和采落煤块的瓦斯涌出量，都与采煤机的割煤速度或放煤速度成正比。因而在高瓦斯放顶煤工作面，应控制割煤速度和放煤速度，否则会造成工作面局部瓦斯超限。割煤速度和放煤速度应通过实测确定。即在采煤机割煤或放煤时，在采煤机和放煤口下风口处检测瓦斯浓度，改变割煤速度和放煤速度，以瓦斯不超限时的速度为该工作面的合理割(放)煤速度。
4．2 顶煤的软化处理工艺
如遇顶煤坚硬不能随采随冒，如不进行顶煤软化处理，改善顶煤的冒放性，必然会丢失大量的顶煤。在高瓦斯坚硬煤层进行顶煤软化处理时必须选择合理的顶煤软化方法。
4．3 高瓦斯放顶煤工作面的初次放顶
放顶煤工作面在顶煤和直接顶初次垮落之前采空区未能充填，此时最宜在采空区积聚大量瓦斯，而且在切眼里采用锚杆、锚索支护。一旦顶煤或顶板垮落时，锚杆(索)断裂，摩擦极易产生火花。如不采取防范措施，就会发生瓦斯爆燃事故。在高瓦斯放顶煤工作面初次放顶时必须采取以下措施：
(1)在工作面离开切眼前对切眼上方的顶煤和后方煤柱实施爆破处理，使顶煤的初次垮落步距为零。
(2)在直接顶垮落之前不得进行放顶煤。如果此时大量放顶煤将采空区放空，必然形成巨大的积聚瓦斯空间。
(3)应采取缩小直接顶的初次垮落步距，有效的方法是在工作面切眼的上方顶煤中，沿顶板掘一辅助切眼，在辅助切眼里，对直接顶进行拉槽预爆破处理，可使直接顶的初次垮落步距缩减为零。
5 高瓦斯煤层放顶煤工作面的防火问题
高瓦斯煤层进行放顶煤开采时，除采用常规的综合防灭火措施外，必须考虑防治瓦斯和防火之间的关系。应从以下几方面着手解决这一问题。
(1)从某种意义上讲，采空区积聚瓦斯，必然减少采空区的供氧量，因而对防火是有利的，但采空区瓦斯如果大量涌人工作面，则必对工作面安全带来威胁。为避免采空区瓦斯涌人工作面，可以改变工作面的推进方向，即使工作面沿煤层伪俯斜布置，使工作面的推进方向变为伪俯斜向下推进，这样采空区的瓦斯向上运动，不致涌人工作面内。
(2)在采用u+L形通风系统时，应尽量缩短回风流经过采空区的路线或避免回风流经过采空区，以防止采空区漏风。
(3)在u形或E形通风条件下，应加强工作面两端头尾巷的密闭，防止采空区漏风。在E形通风条件下，应尽可能通过高抽巷或排瓦斯巷排放采空区瓦斯，以减少采空区的瓦斯含量。
(4)在Y形通风条件下，应对巷旁充填带进行喷浆或泡沫塑料喷涂，防止充填带漏风。
(5)在任何通风条件下，都应加强工作面的推进速度，以尽快使采空区厌氧带的出现时间小于煤炭自然发火期。
参考文献
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