顶煤破碎机理解析

综放开采时,实现顶煤的有效破碎和顺利放出是放顶煤工作的核心问题,而顶煤的有效破碎又是顶煤顺利放出的前提,同时也是支架选型及确定放顶煤工艺的依据。顶煤由原始状态到放煤状态,主要经历了变形、碎胀、移动和垮落等一系列复杂的过程。研究结果表明,顶煤的破碎既有顶煤内部的因素,也有外部因素。概括起来主要包括:开采深度、煤层的厚度和强度、煤层的夹矸层数和夹矸厚度、节理裂隙的发育程度、直接顶岩性及厚度、基本顶岩性及厚度以及支架结构等。

对于普氏系数f不同的煤体,传递顶板应力的结果不同,顶煤在煤壁前方开始变形移动的位置也不同。煤的普氏系数f越小,表明强度越低,顶煤在煤壁前方的起始活动点越远,支承压力峰值工作面也较远,从而顶煤受力作用的时间也越长,有利于顶煤的放出。但如果顶煤太软,也会给工作面支架端面的维护造成困难。相反,f值越大,支承压力峰值越大,离工作面煤壁越近,顶煤的破坏过程越短,顶煤的变形、位移越小。因此,当f值大时,如采用放顶煤开采就要采取破煤的辅助手段,如注水软化、爆破预裂等使顶煤破碎,否则达不到理想的放煤效果。生产实践表明,煤的普氏系数f＜3的煤层更适合放顶煤开采。

顶煤中的夹矸不仅影响到放出煤的含矸率,而且影响顶煤的放出效果。顶煤夹矸对顶煤放出的影响比较复杂,其影响程度不仅与夹矸的岩性、硬度、层数等有关,还与夹矸层与煤层的胶结性质有关。对于比较软而与顶煤胶结性差的夹矸层,则变成了顶煤的一个弱面,夹矸层的存在增加了顶煤的冒放性;对于比较硬且与顶煤胶结比较好的夹矸层,则对顶煤的冒放性有不利的影响。对于顶煤中的夹矸层处理,如果位于顶煤的上部,为保证放出煤炭的质量,一般不予放出。因此,位于顶煤中部的夹矸层则是应重点考虑的对象。

顶煤中节理发育,节理延伸性好,开张度大,充填物胶结性差,煤体相对松软,易破碎,冒落块度小,可放性好;相反,节理分布密度小,延伸不好,成闭合状,充填物胶结强度高,煤体的整体性好,不易破碎,冒落块度大,可放性差。支承压力的大小是煤体内产生次生裂隙的另一个主要因素。

顶煤的破碎是支承压力、顶板运动及支架反复支撑共同作用的结果。其中,由于工作面回采所形成的支承压力对顶煤具有预破坏作用,是顶煤实现破碎的关键;顶板回转对顶煤的再次破坏使顶煤进一步破碎,但它是以支承压力的破煤作用为前提的,而支架的反复支撑只对顶煤下位2 m左右的范围有明显的破坏作用。支架反复支撑的实质是对顶煤多次加载和卸载,使顶煤内的应力发生周期性的变化,形成交变应力作用促使顶煤破坏发展。

支架对顶煤反复支撑的次数N与顶梁的长度L及采煤机截深B有关,可表示为(www.xing528.com)

图9.8　顶煤破坏区

A—完整区;B—破坏发展区;C—裂隙发育区;D—垮落破碎区

当顶煤强度小或节理裂隙发育时,顶梁宜短;相反,顶梁宜长。顶梁长度过短,对顶煤破碎不利;而顶梁过长,将使顶煤破碎加剧,易出现架前或架上冒空现象,并增加煤炭损失。根据顶煤的变形和破坏发展规律,沿工作面推进方向可将顶煤划分为图9.8所示的四个破坏区,依次为完整区A、破坏发展区B、裂隙发育区C和垮落破碎区D。

由于工作面的移动特性,顶煤将依次经历完整区、破坏发展区、裂隙发育区到垮落破碎区,由放煤口放出。