淺埋中硬煤層綜放開采頂煤冒放性論證

岳 煒，李建永

(1.山西科技學(xué)院， 山西 晉城 048000；2.山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計院有限公司， 山西 晉城 048000)

綜采放頂煤是目前我國開采厚煤層的主要方法。判斷煤層能否使用放頂煤開采，需要對頂煤的冒放性進(jìn)行合理評價。大量學(xué)者在頂煤冒放性論證方面進(jìn)行了研究并取得成果，范世民、胡學(xué)軍[1]建立了模糊聚類分析方法的數(shù)學(xué)模型，對潞安礦區(qū)頂煤冒放性進(jìn)行了運(yùn)算分類,經(jīng)潞安礦區(qū)綜放開采實(shí)踐證實(shí), 分類合理。杜明啟等[2]采用多指標(biāo)綜合隸屬函數(shù)對5+6號煤層合并開采的頂煤冒放性進(jìn)行了評價，其評價模型只針對煤層地質(zhì)因素，未考慮采放比等開采技術(shù)的影響。狄滿洲[3]采用超聲波法對綜放工作面頂煤冒放性進(jìn)行了預(yù)測，并通過布置運(yùn)移跟蹤儀等技術(shù)手段監(jiān)測了頂煤的回采效果，缺乏對頂煤破碎機(jī)理及影響因素的研究。陳中華等[4]基于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，對含厚夾矸頂煤破碎機(jī)理進(jìn)行了力學(xué)分析，重點(diǎn)分析了夾矸的層位、厚度、巖性及強(qiáng)度對頂煤冒放性的影響，但未分析其他影響因素。本文以晉普山煤礦331工作面為工程背景，現(xiàn)場取芯進(jìn)行煤巖物理力學(xué)參數(shù)測試，分別運(yùn)用破壞系數(shù)分類法和模糊綜合評價法對頂煤的冒放性進(jìn)行論證，相互印證使結(jié)果更為可靠。

1 工程背景

晉普山煤礦位于山西省晉城市西南約10 km，井田面積28.266 3 km2，生產(chǎn)規(guī)模1.3 Mt/a，高瓦斯礦井，批準(zhǔn)開采3—15號煤層。3號煤層原采用分層開采，目前已接近尾聲，為了緩解采掘接替壓力，提高回采效率，擬設(shè)計在331工作面采用放頂煤采煤法開采。

331工作面是3號煤層布置的最后一個正規(guī)工作面，該工作面位于山西組中下部，層位穩(wěn)定，工作面范圍內(nèi)煤層厚度為4.35～5.2 m，設(shè)計采高2.8 m，頂煤厚度1.55～2.4 m. 工作面地表為丘陵地帶，標(biāo)高+830～900 m，平均埋深150 m.煤層直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖和中細(xì)粒砂巖，厚4～6 m，煤層回采后短期內(nèi)不冒落；基本頂為中砂巖，厚度大于3 m，多在開采10～15 m后開始冒落，屬中等冒落性頂板。煤層節(jié)理、層理不發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可采，含0～3層夾矸，夾矸厚度為0.07～0.25 m，夾矸巖性為炭質(zhì)泥巖或泥巖。煤層自燃等級為Ⅲ級，不易自燃，煤塵無爆炸危險性。

2 煤層與頂板物理力學(xué)參數(shù)測試

為研究晉普山煤礦331工作面煤層與頂板物理力學(xué)特征，為頂煤冒放性論證提供可靠的煤巖物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行了現(xiàn)場采樣和物理力學(xué)參數(shù)測試工作。

2.1 煤的堅固性系數(shù)測定

煤的堅固性系數(shù)是指煤塊抵抗外力破壞能力的綜合性強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)GB/T 23561《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測定方法》[5]，對331工作面的煤樣進(jìn)行了堅固性系數(shù)測定。首先進(jìn)行煤樣制作，將煤塊制成塊度為20～30 mm的小塊，以50 g為1份，每5份為1組，共3組稱取煤樣，煤樣經(jīng)過搗碎、篩分、沖擊、計量等步驟后，堅固性系數(shù)按下式[5]計算：

(1)

式中，f為堅固性系數(shù)；n為沖擊次數(shù)；L為煤粉篩分后計量筒內(nèi)的高度，mm.

測定結(jié)果見表1，煤樣的堅固性系數(shù)在1.58～1.82，平均值1.72，屬于中硬煤。

表1 煤的堅固性系數(shù)測定記錄表

2.2 頂板巖石物理力學(xué)參數(shù)測試

直接頂泥巖和基本頂砂巖的物理力學(xué)參數(shù)測試按照GB/T 23561[5]規(guī)定進(jìn)行，結(jié)果見表2.

表2 頂板巖石物理力學(xué)參數(shù)表

3 331工作面頂煤冒放性影響因素評價

3.1 煤層埋深

331工作面的平均埋深為150 m，從開采深度來看，支承壓力作用較小，對頂煤破碎效果有限。因此，從煤層埋深來看，331工作面頂煤冒放性較差，但在礦山壓力與支架共同作用下，可以采用放頂煤開采，需輔助其它增強(qiáng)頂煤冒放性的技術(shù)措施，才能達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。

3.2 煤體強(qiáng)度

331工作面煤層的普氏系數(shù)為1.58～1.82，平均1.72，屬于中硬煤，頂煤的冒落塊直徑在0.4～1.3 m，垮落角為65°～85°，頂煤的放出率一般不超過60%，冒落的過程通常為整體大塊向采空區(qū)移動，導(dǎo)致直徑較大的煤塊到達(dá)放煤口，易形成拱橋結(jié)構(gòu)堵住放煤口。由于液壓支架尾梁和插板的破碎作用有限，只能通過移架的方式對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，會導(dǎo)致大量的頂煤遺留在采空區(qū)，降低了采出率。因此，從煤體強(qiáng)度來看，頂煤冒放性中等，頂煤放出流動性較差，需加強(qiáng)支架的二次破碎功能。

3.3 煤層厚度

國內(nèi)外綜放工作面的實(shí)測資料和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著開采煤層厚度的增大，其頂煤冒放性相對減弱，頂煤厚度介于2～10 m較為合理，加上底層采高2.5～3.0 m，采用放頂煤開采的煤層最小臨界厚度應(yīng)為4.5～5.0 m[6]. 331工作面煤層厚度為4.35～5.2 m，設(shè)計采高2.8 m，頂煤厚度1.55～2.4 m，平均1.98 m. 煤層厚度接近放頂煤開采最小臨界厚度，考慮到該礦目前的生產(chǎn)設(shè)備和經(jīng)濟(jì)條件，可進(jìn)行放頂煤開采試驗(yàn)。

3.4 煤層夾矸

根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，夾矸層厚度在0.3 m以下時一般以片狀或板狀的形式掉落，對頂煤的冒放性影響不大。根據(jù)地質(zhì)報告，該礦3號煤層含夾矸0～3層，厚度為0.07～0.25 m，夾矸巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖。經(jīng)測試，泥巖取樣的抗壓強(qiáng)度為17.97 MPa.

夾矸的厚度對煤質(zhì)和回采過程的影響情況可分為3類：1) 薄夾矸層，0～0.2 m. 2) 中厚夾矸層，0.21～0.4 m. 3) 厚夾矸層，0.4 m以上。根據(jù)以上分析，3號煤層夾矸層屬于薄夾矸層～中厚夾矸層之間，因此，從煤層夾矸層厚度和強(qiáng)度來看，該礦的夾矸層厚度薄，且強(qiáng)度較低，因此，對頂煤冒放性影響很小，利于放頂煤開采。

3.5 煤層裂隙發(fā)育程度

根據(jù)地質(zhì)報告，該礦3號煤層節(jié)理、層理不發(fā)育，但在331工作面取芯過程中發(fā)現(xiàn)，巷道高度以外的頂煤層理和節(jié)理較發(fā)育，無法獲得高度超過100 mm的煤芯，大都破碎成尺寸為50 mm左右的碎塊。另外，現(xiàn)場調(diào)研得知3號煤層其它工作面回采時，煤層片幫和漏頂現(xiàn)象時有發(fā)生，有利于頂煤的冒放。

3.6 頂板巖層的垮落情況

直接頂對煤體壓裂的影響不大，但其垮落后充填采空區(qū)的情況會影響頂煤的冒放結(jié)構(gòu)，從而影響頂煤的放出。因此，從采動礦壓控制和增加頂煤回收率方面考慮，都要求直接頂垮落后能夠最大程度地充滿采空區(qū)。

3號煤層頂板多為泥巖及砂質(zhì)泥巖，炭質(zhì)泥巖偽頂0～1.1 m，隨煤層開采冒落，直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖和中細(xì)粒砂巖。根據(jù)鉆孔取芯結(jié)果并結(jié)合3號煤層實(shí)際的采掘情況，331工作面直接頂實(shí)際厚4～6 m，平均4.5 m. 煤層平均厚度取4.78 m，碎脹系數(shù)1.35，則(4.78/1.35)=3.54<4.5，即331工作面直接頂在垮落后可以充分地填滿采空區(qū)。

4 331工作面頂煤冒放性分析與論證

4.1 頂煤冒放性的破壞系數(shù)分類法評價

在參閱相關(guān)文獻(xiàn)，以及對大量綜采放頂煤工作面數(shù)據(jù)分析總結(jié)的基礎(chǔ)上[6-8]，通過正交有限元的方法，研究了各地質(zhì)條件對頂煤冒放性的影響規(guī)律，得出破壞系數(shù)綜合指標(biāo)值Y和各影響因素的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

Y=0.704+0.000 633 8H-0.007 86Rc+

0.238C-0.179 7Mj+0.014 34Md

(2)

式中，H為煤層埋深，取150 m；Rc為煤體抗壓強(qiáng)度，取17.2 MPa；C為裂隙發(fā)育而影響的強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.5；Mj為夾矸厚度，取0.25 m；Md為頂煤厚度，1.55～2.4 m，取平均值1.98 m.

經(jīng)計算，Y≈0.77，根據(jù)表3可知，該煤層屬于冒放性中等的Ⅲ類，頂煤放出率為50%～64%.

表3 頂煤冒放性分類表

4.2 頂煤冒放性的模糊綜合評價

本文評價頂煤冒放性主要考慮以下因素：煤層埋深、煤體抗壓強(qiáng)度、直接頂巖性、基本頂巖性、采放比、煤層節(jié)理裂隙的發(fā)育程度、夾矸層的厚度與強(qiáng)度。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的原理與方法[8]，以各因素的權(quán)重與隸屬度的加權(quán)平均計算，建立綜合評價模型：

μ=∑Aiμi

(3)

式中，μ為頂煤冒放性的模糊評價值；Ai為各影響因素的權(quán)重；μi為各因素對頂煤冒放性隸屬度。

依據(jù)《采礦工程設(shè)計手冊》[9]，采用層次分析法，確定各影響因素的權(quán)重：煤層埋深與強(qiáng)度之比為0.23，直接頂類別為0.12，基本頂類別為0.10，采放比為0.14，煤層節(jié)理裂隙間距為0.14 mm，夾矸厚度為0.12 mm，夾矸強(qiáng)度為0.15 MPa.

根據(jù)晉普山煤礦331工作面的地質(zhì)參數(shù)，確定各因素的隸屬度，見表4. 經(jīng)計算，得出頂煤冒放性的模糊評價值為0.63，由表3可知，屬于冒放性差的Ⅳ類，頂煤放出率為30%～49%.

表4 工作面地質(zhì)參數(shù)與隸屬度計算表

綜合破壞系數(shù)分類法和模糊綜合評價法，得出331工作面的頂煤冒放性類別為Ⅳ～Ⅲ類冒放性差～中等。

5 結(jié) 語

1) 基于現(xiàn)場取芯煤巖物理力學(xué)參數(shù)測試，評價了331工作面的實(shí)際地質(zhì)情況對頂煤冒放性的影響，并對其頂煤冒放性進(jìn)行了論證，認(rèn)為屬于IV～Ⅲ類冒放性差～中等的煤層。若采用放頂煤開采，在選擇合理放頂煤支架、采取合理放煤工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，必須制定增加頂煤破碎性的專項(xiàng)措施，才能提高冒放性，取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2) 為改善頂煤的冒放性，可采取以下措施：回采前對工作面頂板進(jìn)行初采爆破切頂，減小頂板的初次來壓步距；預(yù)注水壓裂和軟化煤層及頂板，減小裂隙間的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，從而降低煤層和頂板的強(qiáng)度[10]；預(yù)爆破弱化頂板煤巖，減小煤巖塊度，提高頂煤的冒放性和采出率。