龍泉煤礦綜放開采可行性研究

路全寬，田取珍，劉躍飛，李鵬翔

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

龍泉煤礦綜放開采可行性研究

路全寬，田取珍，劉躍飛，李鵬翔

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

分析了龍泉煤礦4號煤層地質(zhì)條件與煤巖層物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合我國綜放開采技術(shù)現(xiàn)狀，對龍泉煤礦綜放開采的主要影響因素進(jìn)行研究，認(rèn)為該煤層采用綜放開采是合理可行的。

綜放開采；回采率；頂煤冒放性

1 概述

龍泉井田位于山西省婁煩縣境內(nèi)，井田面積35.23km2，設(shè)計(jì)規(guī)模5.0Mt/a，首采區(qū)為4號煤層，煤厚1.70m～8.2m，平均6.47m，煤層傾角多為5°～10°，最大不超過15°，埋藏深度300m～1000m，首采區(qū)平均采深450m，煤的抗壓強(qiáng)度13.58MPa。首采工作面總體上沿煤層走向推進(jìn)，傾角7°～8°左右。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、煤線、粉砂巖、泥巖、砂巖組成，屬不穩(wěn)定至中等穩(wěn)定頂板，底板為砂質(zhì)泥巖和砂巖地層。4號煤層設(shè)計(jì)使用綜合機(jī)械化放頂煤開采，要對4號煤綜放煤開采的適應(yīng)性進(jìn)行研究。我們在龍泉礦井進(jìn)行了實(shí)地煤巖心取樣并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，巖石力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 4號煤層及頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)表

2 綜放開采回采率的分析

龍泉礦井4號煤層厚1.70 m～8.20 m，平均6.47 m，煤層厚度變化較大。龍泉井田共有鉆孔88個(gè)，根據(jù)鉆孔資料繪制全井田煤厚分布圖，見圖1。厚度7.0 m～8.0m的煤最多，占37%；其次為6.0m～7.0m的煤，占35%；厚度為5.0m～6.0m和8.0m以上的煤各占8 %；厚度為4.0m～5.0m和1.7m～3.0m的煤各占5%；厚度為3.0m～4.0m的煤僅占2%；全井田厚度6.0m以上的煤層占到80%。

首采區(qū)位于井田中西部的井底車場附近，共有鉆孔22個(gè)，首采區(qū)煤層厚度分布，見圖2，首采區(qū)內(nèi)厚度6.0m～7.0m的煤最多，占58%；厚度7.0m～8.0m的煤，占37%；厚度5.0m～6.0m的煤僅占5%。如果首采區(qū)采用大采高綜采，采高按6.0m計(jì)算，姑且不考慮巷道煤柱損失，僅考慮采高引起的丟煤率，則可算出首采區(qū)工作面的回采率C：

首采區(qū)工業(yè)儲量Zg=1，5.0 m～6.0 m的煤沒有損失，6.0m～7.0m的煤按6.5m計(jì)算，7.0m～8.0m的煤按7.5m計(jì)算，則其

工作面回采率：C=88.1%，低于規(guī)范的93%。

通過分析看出，龍泉礦4號煤層的厚度分布不均勻，變化較大，最小為1.7m，最大為8.2m，煤層厚度6.0 m以上占到80%，煤層厚度7.0m以上占到45%，如果選擇大采高綜采，丟煤嚴(yán)重，煤層厚度顯然是不利因素。

圖1 龍泉井田煤厚分布比例圖

圖3 4號煤層夾矸厚度比例圖

圖2 首采區(qū)煤厚分布比例圖

3 頂煤冒放性的分析

3.1 煤層結(jié)構(gòu)

煤層結(jié)構(gòu)對放頂煤影響很大。堅(jiān)硬的夾石會(huì)增強(qiáng)頂煤的整體性，不易垮落；但是可用高阻力液壓支架使頂煤破碎，也可考慮施工措施巷對頂煤進(jìn)行預(yù)碎加以解決。夾矸強(qiáng)度越大頂煤越難冒落，此時(shí)頂煤的冒放性差。根據(jù)放頂煤開采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，煤層中含有堅(jiān)硬夾石層厚度單層不宜超過0.3m，否則需用破碎措施。頂煤中夾石層厚度占煤層總厚度的比例也不宜超過10%～15%。

龍泉礦井4號煤層一般含3層夾矸，最多達(dá)8層，夾矸一般為泥巖或炭質(zhì)泥巖，根據(jù)鉆孔資料，夾矸厚度大于0.5m的占11%，煤層中夾石層厚度占煤層總厚度的11.6%，見圖3。首采區(qū)共有鉆孔22個(gè)，夾矸層數(shù)為0～6，多數(shù)為4層，夾矸厚度最大為0.95 m，多數(shù)小于0.3m。根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)分析，4號煤層夾矸厚度較小，而且夾矸強(qiáng)度較低，對放頂煤開采影響不大。

3.2 開采深度

不考慮構(gòu)造應(yīng)力場的情況下，根據(jù)Griffith強(qiáng)度理論，頂煤發(fā)生破壞的臨界賦存深度為：

式中：μ為煤的泊松比，0.27；γ為上覆巖層平均容重，26 000 N/m3；φ為煤的內(nèi)摩擦角，26.35°；σc為煤的單軸抗壓強(qiáng)度，13.58 MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，2.5。代入數(shù)據(jù)得到4號煤放頂煤開采的臨界深度為324 m，而4號煤埋藏深度約300 m～1 000 m，首采區(qū)平均采深450m，遠(yuǎn)大于臨界深度，適于放頂煤開采。

3.3 煤層強(qiáng)度

煤層強(qiáng)度直接影響頂煤冒放性，習(xí)慣上用普氏系數(shù)f（f=σc/10）表達(dá)煤的強(qiáng)度或堅(jiān)硬程度。根據(jù)f值大小，一般將煤分為軟煤(f≤1)、中硬煤(f=1～2)、硬煤(f≥2)。根據(jù)國內(nèi)綜采放頂煤工作面和大采高綜采工作面的實(shí)測統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果表明，煤層強(qiáng)度是影響采用放頂煤還是大采高的關(guān)鍵因素。一般來說：軟煤最容易冒落，不產(chǎn)生懸頂冒落，塊度小，塊徑一般在0.2m～0.3 m以下，可放性好；中硬煤次之，冒塊多在0.3 m～0.6 m，極少數(shù)達(dá)1.0m，可放性較好。硬煤的冒落性最差，冒塊多在1.0 m左右，常見大于1.0 m的塊度，支架后方常有懸空頂煤，放出率很低。頂煤越硬，垮落角越小，對頂煤的放出不利。對大采高而言，煤的軟硬直接影響到設(shè)備的使用效果；煤質(zhì)太軟、煤壁片幫嚴(yán)重，工作面容易發(fā)生端面冒頂，無法發(fā)揮大采高設(shè)備的能力；采高太高，甚至?xí)l(fā)生安全事故。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，普氏系數(shù)大于1.5的煤層，才適合于大采高綜采。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室所測煤體力學(xué)參數(shù)，4號煤層的單軸抗壓強(qiáng)度平均為13.58MPa，則煤層普氏系數(shù)f=1.36，屬于中硬偏軟煤。4號煤層強(qiáng)度低，若采用大采高綜采，片幫嚴(yán)重，生產(chǎn)組織困難，經(jīng)濟(jì)效益差，適于采用放頂煤開采。

3.4 頂?shù)装鍡l件

4號煤層頂板巖性軟弱、破碎，以泥巖或砂質(zhì)泥巖為主，其間夾有薄煤層，直接頂可隨采隨冒；對頂煤放出最有利的直接頂厚度Σh應(yīng)為冒落后能充滿采出空間，即Σh≥M/Kp。其中，M為采放高度取6.47m；KP為頂板巖石碎脹系數(shù)取1.2，則Σh≥5.4m。龍泉礦4號煤直接頂為4.8m的砂質(zhì)泥巖，其上為5m厚的泥巖，冒落可較充分填充采空區(qū)。采用放頂煤綜采工藝完全可以適應(yīng)，因?yàn)檫@種頂板的垮落與冒落的頂煤，能在放煤過程中形成統(tǒng)一的松動(dòng)冒落體，減少丟煤。

4號煤層直接頂板以砂質(zhì)泥巖為主，次為粉砂巖和薄煤層，局部為細(xì)粒砂巖。細(xì)粒砂巖抗壓強(qiáng)度為52.93MPa～104.77MPa，厚度較薄1m左右。砂質(zhì)泥巖類抗壓強(qiáng)度常為24.82MPa～42.92MPa，厚度較厚5m左右?？傊苯禹攺?qiáng)度低，可隨采隨冒。煤層頂板屬于不穩(wěn)定至中等穩(wěn)定性頂板。底板為較厚細(xì)砂巖，強(qiáng)度60MPa左右，適合液壓支架運(yùn)行。采用放頂煤較適合。

3.5 煤層節(jié)理裂隙

煤層都呈現(xiàn)程度不同地含有地質(zhì)弱面和構(gòu)造，例如層理、節(jié)理、裂隙、斷層、褶皺等。這些弱面將嚴(yán)重削弱煤體強(qiáng)度而增加煤體的變形性。對于放頂煤，煤層的節(jié)理裂隙發(fā)育程度影響到頂煤的冒放性；節(jié)理越發(fā)育，對放頂煤越有利。

從礦井下實(shí)地觀測現(xiàn)場工程技術(shù)人員的反映和實(shí)驗(yàn)室鉆取煤芯試樣的損壞率來看，4號煤層的節(jié)理與裂隙中等發(fā)育，發(fā)育系數(shù)為0.3。4號煤層總體上是上半部較軟，下半部較硬；上半部甚至不能取出完整的巖芯，單軸抗壓強(qiáng)度8.5MPa，硬度系數(shù)f＜1；下半部較硬，其硬度系數(shù)也僅為f=1.3左右。

采用太原理工大學(xué)采礦工藝所靳鐘銘教授的頂煤冒放性的研究成果。其分類的計(jì)算公式為：

式中：y為頂煤冒放性系數(shù)；H為煤層的埋深，m；Rc為煤層的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；c為裂隙的發(fā)育程度系數(shù)；mj為煤層中夾石的厚度，m；md為頂煤的厚度，m。對4號煤層而言，埋深H為450m，煤層單軸抗壓強(qiáng)度13.58MPa，煤層節(jié)理發(fā)育系數(shù)c選0.3，夾石平均厚度mj=0.25m，頂煤厚度選3.67m，把數(shù)據(jù)代入式，可得y=0.94。根據(jù)頂煤冒放性分類數(shù)據(jù)可知，4號煤冒放性為好，說明4號煤層適合采用放頂煤開采。

4 結(jié)論

（1）通過現(xiàn)場取巖芯和實(shí)驗(yàn)得到了龍泉煤礦4號煤層圍巖物理力學(xué)性質(zhì)，并從煤層厚度分布，煤的回收率分析了采用綜放的合理可行性。（2）在龍泉礦4號煤及其頂?shù)装逦锢砹W(xué)參數(shù)的成果上，對影響龍泉煤礦頂煤冒放性的地質(zhì)因素進(jìn)行了分析研究。最后認(rèn)定，龍泉煤礦頂煤冒放性為好，適合于放頂煤開采。

[1]康天合，宋選民，弓培林，靳鐘銘.煤層條件對頂煤可放性的影響研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1996，18(5):22-28.

[2]李慧.淺埋藏堅(jiān)硬特厚煤層放頂煤開采頂煤冒放性研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2007.

[3]司志群.上榆泉煤礦綜放開采可行性研究[J].煤炭科技，2009(2)：1-3.

Feasibility Study of Fully-m/echanized Mining in Longquan Mine

LU Quan-kuan,Tian Qu-zhen,LIU Yue-fei,LI Peng-xiang
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

The article analyzed the geological condition and coal and rock strata physical and mechanical features of No.4 seam in Longquan mine.Based on the fully-mechanized mining technology in China,the major influential factors were studied to conclude that it was feasible to use fully-mechanized mining in the seam.

fully-mechanized mining;recovery ratio;top coal falling

TD823

A

1672-5050（2012）04-0046-03

2012-01-10

路全寬（1982—），男，山西大同人，在讀碩士研究生，從事煤礦開采方法及煤礦設(shè)計(jì)的研究工作。

劉新光