长壁放顶煤采煤法的破碎过程及与顶煤放出规律
发布时间：
2025-05-28
一、引言
在煤炭开采领域，采煤方法的选择对于煤炭资源的高效回收、生产效率的提升以及安全生产的保障起着决定性作用。长壁放顶煤采煤法作为一种针对厚煤层开采的重要方法，凭借其在开采效率、成本控制等方面的显著优势，在全球范围内得到了广泛应用。
长壁放顶煤采煤法，是指在开采近水平、缓倾斜或中斜厚煤层时，沿煤层底板或煤层某一厚度范围内布置采煤工作面，先采出煤层底部长壁工作面的煤，然后利用矿山压力或辅以松动爆破等方法，使顶煤破碎成散体，随后采集上部顶煤。这种采煤方法将工作面作业巧妙地分为割煤和放煤两个部分，二者既相互独立又紧密配合，互不干扰，极大地提高了空间和工作时间的利用效率，使得采煤产量得到有效提升。与普通采煤工艺相比，放顶煤采煤工艺增加了放煤程序，在出煤量增加的同时，工作推进速度有所放缓，为采煤作业的安全实施提供了有力保障。
随着煤炭行业的不断发展，对长壁放顶煤采煤法的研究也日益深入。顶煤的破碎过程和放出规律作为该采煤法的核心要素，直接关系到煤炭的采出率、生产效率以及开采成本。深入探究顶煤破碎及放出规律，对于优化采煤工艺、提高煤炭资源回收率、降低生产成本以及保障安全生产具有重要的现实意义。它能够帮助采矿工程师们更加科学合理地设计采煤方案，选择合适的设备和工艺参数，从而实现煤炭资源的高效、安全开采。
二、顶煤破碎过程
在长壁放顶煤采煤法中，顶煤的破碎是一个复杂且有序的过程，通常可划分为四个关键阶段，每个阶段都对煤炭的顺利开采起着不可或缺的作用。
（一）初始破坏区 A
在煤壁前方超前支承压力峰值区的强大作用下，顶煤开始经历从弹性变形到塑性变形的关键转变。此时，顶煤内部的应力状态发生显著变化，原本紧密排列的煤体结构受到破坏，裂隙逐渐扩展。这些裂隙的出现，标志着顶煤开始进入初始破坏阶段。在这个阶段，虽然顶煤的破坏程度相对较小，但却是后续一系列破坏过程的基础。随着超前支承压力的持续作用，裂隙会不断延伸和扩展，为顶煤的进一步破碎创造条件。当煤层开采深度较大时，超前支承压力峰值也会相应增大，顶煤在初始破坏区的变形和裂隙扩展程度会更加明显。这就要求在采煤过程中，必须充分考虑超前支承压力的影响，合理调整开采工艺和参数，以确保顶煤的破碎效果和开采安全。
（二）破坏发展区 B
随着采煤工作的推进，顶板回转作用对煤壁前方顶煤的影响日益显著。在顶板回转产生的强大压力作用下，煤壁前方顶煤的破坏程度进一步加剧。裂隙不仅在数量上增多，而且在长度和宽度上也不断扩展，顶煤的位移量也明显增大。这种破坏发展过程，使得顶煤的结构更加松散，为后续的破碎和放出奠定了基础。在一些顶板较为坚硬的煤层中，顶板回转作用会更加剧烈，顶煤在破坏发展区的破坏程度也会更大。这就需要加强对顶板的管理和控制，采取有效的支护措施，以减少顶板回转对顶煤的不利影响，保证采煤工作的顺利进行。
（三）裂隙发育区 C
移架过程中的反复支撑，是提高顶煤破碎效果的重要因素。当支架进行移架操作时，会对顶煤施加反复的支撑力，这种交变应力使得顶煤内部的裂隙进一步发育和扩展，从而提高了顶煤的破碎程度。反复支撑的次数与顶梁长度及截深密切相关。一般来说，顶梁长度越长，截深越大，支架对顶煤的反复支撑次数就越多，顶煤的破碎效果也就越好。但在实际操作中，也需要根据顶煤的硬度、煤层的赋存条件等因素，合理调整顶梁长度和截深，以达到最佳的破碎效果。在顶煤硬度较大的情况下，可以适当增加顶梁长度和截深，增加支架的反复支撑次数，提高顶煤的破碎程度；而在顶煤较软的情况下，则需要适当减小顶梁长度和截深，以避免过度破碎导致煤体流失和安全隐患。
（四）垮落破碎区 D
经过前面三个阶段的破坏和裂隙发育，顶煤最终在支架后方完全破坏，进入垮落破碎区。此时，顶煤失去了原有的连续性和稳定性，在重力和矿山压力的共同作用下，以垮落的形式放出。垮落破碎区的形成，标志着顶煤破碎过程的完成，也是煤炭开采的关键阶段。在这个阶段，需要合理控制放煤工艺和参数，确保顶煤能够顺利放出，同时尽量减少矸石的混入，提高煤炭的采出率和质量。如果放煤速度过快，可能会导致矸石提前混入，降低煤炭质量；而放煤速度过慢，则会影响采煤效率，增加开采成本。因此，必须根据顶煤的垮落情况和采场实际条件，精确控制放煤速度和放煤量，实现煤炭的高效、安全开采。
三、顶煤放出规律
在长壁放顶煤采煤法中，顶煤的放出规律是确保煤炭高效开采的关键因素之一。深入了解顶煤放出规律，对于优化放煤工艺、提高煤炭采出率以及降低生产成本具有重要意义。
（一）椭球体放矿理论
1. 理论概述
椭球体放矿理论认为，矿石在采场破碎后，会按近似椭球体形状向下自然流动。在这个过程中，原来矿石所占空间形状为一个旋转椭球体。具体来说，存在几个关键概念：放出椭球体，它是放矿过程中形成的椭球体，代表了在放煤过程中，从放煤口放出的那部分矿石所占据的空间形状；放出漏斗，是在放矿过程中，随着矿石的放出，在矿堆表面形成的漏斗状凹陷；松动椭球体，是停止扩展而最终形成的椭球体，它反映了在放煤结束后，周围矿石受到扰动而形成的一个大致的椭球体范围；移动漏斗，是在放矿过程中，随着放出椭球体的移动，在矿堆表面形成的一系列漏斗状凹陷。这些概念相互关联，共同描述了矿石在采场中的流动形态和规律。在实际采煤过程中，我们可以通过观察和分析这些椭球体和漏斗的形成和变化，来了解顶煤的放出情况，从而优化放煤工艺。
2. 特征解析
放矿椭球体表面上的颗粒将大体同时到达放煤口，这是椭球体放矿理论的一个重要特征。这一特征的原理在于，在放矿过程中，矿石颗粒受到重力和周围矿石的相互作用力，沿着近似椭球体的表面向下流动。由于放矿椭球体的形状和矿石的流动特性，使得位于放矿椭球体表面上的颗粒在向下流动的过程中，其运动轨迹和速度大致相同，因此能够大体同时到达放煤口。这一特征对采煤操作有着重要的影响。在采煤过程中，我们可以根据这一特征，合理确定放煤口的位置和大小，以及放煤的顺序和时间间隔，以确保顶煤能够均匀、高效地放出。如果放煤口位置不合理，可能会导致部分顶煤无法及时放出，影响煤炭采出率；如果放煤顺序不当，可能会导致矸石提前混入，降低煤炭质量。因此，在实际操作中，需要充分考虑放矿椭球体的特征，科学制定放煤方案，以实现煤炭的高效、安全开采。
（二）椭球体参数
1. 参数设定
在椭球体参数设定中，设长轴 2a=h，其中 h 为待放顶煤高度 。短轴为 2b₁ ，实践表明，2b₁=(0.25～0.3) h ，进一步可得 b₁=(0.25～0.3) h/2 。这些参数的设定并非随意为之，而是基于大量的实践经验和科学研究得出的 。长轴 2a 等于待放顶煤高度 h，这是因为在放煤过程中，顶煤的放出高度直接决定了放矿椭球体在垂直方向上的尺寸 。而短轴 2b₁的取值范围 (0.25～0.3) h ，则是考虑到顶煤的破碎程度、矿石的流动性以及放煤口的大小等多种因素 。当短轴取值过小时，可能会导致放煤不畅，影响煤炭采出率；当短轴取值过大时，可能会使矸石过早混入，降低煤炭质量 。因此，通过合理设定这些参数，可以使放矿椭球体的形状更加符合实际放煤情况，从而提高放煤效率和煤炭质量 。
2. 实践数据
实践数据表明，松动椭球体高度为 H，且 H=(2.2～2.6) h 。这一实践数据在不同开采条件下会有一定的变化范围 。当煤层的硬度较大时，顶煤破碎相对困难，松动椭球体的高度可能会偏向于取值范围的下限；而当煤层硬度较小，顶煤容易破碎时，松动椭球体的高度可能会更接近取值范围的上限 。开采过程中的放煤工艺、放煤口大小以及顶板条件等因素，也会对松动椭球体高度产生影响 。如果放煤口较小，放煤速度较慢，顶煤在放出过程中受到的扰动较小，松动椭球体的高度可能会相对较小；反之，如果放煤口较大，放煤速度较快，顶煤受到的扰动较大，松动椭球体的高度可能会相对较大 。因此，在实际开采中，需要根据具体的开采条件，灵活运用这些实践数据，合理调整开采工艺和参数，以实现煤炭的高效开采 。
四、小结
长壁放顶煤采煤法的顶煤破碎过程是一个从弹性变形到塑性变形，再到裂隙扩展和垮落破碎的连续过程。在这个过程中，超前支承压力、顶板回转作用、支架反复支撑等因素相互作用，共同影响着顶煤的破碎效果。初始破坏区 A 为顶煤的后续破碎奠定了基础，破坏发展区 B 加剧了顶煤的破坏程度，裂隙发育区 C 进一步提高了顶煤的破碎程度，垮落破碎区 D 则是顶煤破碎的最终结果 。
而顶煤放出规律主要遵循椭球体放矿理论，该理论对顶煤放出过程中的流动形态和规律进行了科学描述。通过对放出椭球体、松动椭球体等参数的研究，我们能够更好地理解顶煤的放出过程，为放煤工艺的优化提供了理论依据。在实际应用中，合理设定椭球体参数，如长轴、短轴以及松动椭球体高度等，对于提高煤炭采出率和煤炭质量很重要。
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