公烏素煤礦頂煤冒放性研究

徐國華，張金山，姚 平，李 辰，王洪武，李 晨

（1．烏海市公烏素煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016010；2．內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3．神華烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016010）

·試驗(yàn)研究·

公烏素煤礦頂煤冒放性研究

徐國華1，張金山2，姚 平3，李 辰3，王洪武1，李 晨2

（1．烏海市公烏素煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016010；2．內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；3．神華烏海能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏海 016010）

根據(jù)公烏素煤礦1604綜放工作面16＃煤層實(shí)際地質(zhì)條件，采用模糊數(shù)學(xué)分類方法，以煤體強(qiáng)度、裂隙分布、夾矸影響、開采深度、煤層厚度、頂板巖性等6個(gè)因素，為指標(biāo)對頂煤冒放性進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，16＃煤層頂煤冒放性好（Ⅱ類），對該煤礦的生產(chǎn)實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。

綜放開采；頂煤冒放性；模糊數(shù)學(xué)；評價(jià)

綜放開采自引進(jìn)我國以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)成為我國開采厚及特厚煤層的主要采煤方法之一。頂煤冒放性是指綜放開采過程中，頂煤在支承壓力作用下冒落放出的難易程度，亦即可冒性和可放性的總稱。頂煤冒放性的難易程度不僅可以用來判斷煤層是否可以采用綜放開采，而且為綜放開采工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和提高頂煤回收率所要采取的措施提供重要依據(jù)。本文采用模糊數(shù)學(xué)分類方法，對神華集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司公烏素煤礦的頂煤冒放性進(jìn)行了分析，對該煤礦的生產(chǎn)實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

1 礦井概況

公烏素煤礦，位于桌子山煤田東南部的公烏素勘探區(qū)，隸屬于烏海市海南區(qū)行政管轄。1604工作面主采16＃煤層，可采儲量622萬t。16＃煤層厚度1．67～10．51 m，加權(quán)平均厚度為8．5 m，底煤采高2．4 m，放煤高度為6．1 m，煤層走向N35°E，煤層傾角15°～25°、局部傾角32°～35°，屬于大傾角特厚煤層。煤質(zhì)硬度為1．5，屬軟～中硬煤，夾矸5～7層；煤層走向長度為1 768 m，傾斜長度為310 m。煤層結(jié)構(gòu)為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，16＃煤層頂板為以深灰色泥巖為特征的砂質(zhì)泥巖，厚度4～6 m，底板為以灰石英為主的砂巖，厚度3～5 m。

2 頂煤冒放性的影響因素

影響頂煤冒放性的因素很多，一般可以歸納為兩類：地質(zhì)條件的影響和放煤工藝的影響。地質(zhì)條件的影響包括煤層自身的強(qiáng)度、各種弱面（裂隙、層理等）的發(fā)育與分布情況、夾矸情況、開采深度、頂煤厚度、頂板巖性［1］。放煤工藝的影響包括采放比、放煤工藝、工作面長度、支架的架型與開采工藝等。放煤工藝的影響隨人們的決策而變化，而地質(zhì)條件是客觀存在的因素。因此，分析頂煤冒放性時(shí)，應(yīng)該以客觀存在的地質(zhì)條件為主。頂煤冒放性的影響因素有6個(gè)，這6個(gè)因素相互獨(dú)立，且對頂煤冒放性的影響均具有模糊性。

3 評價(jià)方法

在進(jìn)行頂煤冒放性分類評價(jià)中，模糊性是必須考慮的重要特性之一。模糊數(shù)學(xué)史由美國的控制專家扎德（L．A．Zaden）所創(chuàng)立［2］，根據(jù)事物的不確定性研究事物之間的相互關(guān)系。本文利用模糊數(shù)學(xué)方法對公烏素煤礦1604綜放工作面頂煤進(jìn)行綜合評價(jià)與分類。

采用頂煤冒放性綜合隸屬度F來評價(jià)其垮冒的難易程度。影響頂煤冒放的因素為：煤體強(qiáng)度σc、開采深度H、夾矸影響g、煤層開采厚度M、裂隙分布RM、頂板巖性D。

定義頂煤冒放性影響因素集為：

定義頂煤冒放性綜合隸屬度F，F(xiàn)代表了頂煤冒放難度，采用平均加權(quán)法得：

式中：

wi—第i個(gè)影響因素在頂煤冒放性中占的權(quán)重；

ui（ui）—頂煤冒放性的第i個(gè)影響因素。

wi取值如下：

根據(jù)對各因素的分析，運(yùn)用線性函數(shù)描述各影響因素對頂煤冒放性的影響。

1）煤體強(qiáng)度σc。

式中：

σc—單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

2）開采深度H。

式中：

H—開采深度，m。

3）夾矸影響g。

夾矸層厚度gh：

夾矸層抗壓強(qiáng)度gR：

夾矸層中位線距底板的距離gw：

式中：

gh—夾矸層厚度，m；

gR—夾矸層抗壓強(qiáng)度，MPa；

gw—夾矸層中位線距煤層底板的距離，m；

M1—工作面底煤采高，m；

M—工作面煤層厚度，m。

4）煤層開采厚度M。

5）裂隙分布RM。

頂煤中主要裂隙特征函數(shù)：

頂煤宏觀分層厚度特征函數(shù)：

式中：

S1—頂煤中主裂隙平均間隔，m；

S2—頂煤的宏觀分層厚度，m。

6）頂板巖性D。

式中：

DZ—煤層直接頂?shù)念悇e號數(shù)；

DL—老頂?shù)募墑e號數(shù)。

根據(jù)頂煤實(shí)際參數(shù)代入公式中求F值，根據(jù)F值判斷頂煤的冒放性。

西安科技大學(xué)索永錄教授按照頂煤冒放性綜合隸屬度F值的大小，將頂煤垮冒難易程度分為5類［3］，見表1。

表1 頂煤分類表

4 公烏素煤礦頂煤冒放性評價(jià)

1）煤體強(qiáng)度的測定。

在1604綜放工作面現(xiàn)場取煤樣，通過巖石切割機(jī)制作為長方體試件，試件長、寬、高分別為80 mm、50 mm、50 mm。然后在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測定，測定時(shí)需要測5組數(shù)據(jù)且測定平行及垂直層理的強(qiáng)度，最后取均值。

式中：

P—破壞載荷，N；

A—試件加載時(shí)的橫截面積，mm2。

測定結(jié)果為煤體平行層理的抗壓強(qiáng)度為8．20 MPa，垂直層理的抗壓強(qiáng)度為10．88 MPa，則平均抗壓強(qiáng)度為9．54 MPa，代入式（2）中可知：

2）開采深度。

16＃煤層賦存深度為16．33～555．22m，則平均賦存深度為285．775 m，代入式（3）中可知：

3）夾矸影響。

16＃煤層夾矸為黏土頁巖，厚度為0．58 m，夾矸層中位線距底板距離為3．96 m，夾矸的抗壓強(qiáng)度測定與煤體抗壓強(qiáng)度測定方法一樣，其結(jié)果為夾矸抗壓強(qiáng)度為6．43 MPa，代入式（3）～（7）中可知：

4）煤層開采厚度。

16＃煤賦存厚度為1．67～10．51 m，加權(quán)平均厚度為8．5 m，代入式（8）可知：

5）裂隙分布。

由現(xiàn)場觀察知頂煤中主裂隙平均間隔位0．5 m，頂煤的宏觀分層厚度1．4 m，代入式（9）～（11）中可知：

6）頂板巖性。

直接頂垮落步距：

基本頂初次來壓當(dāng)量：

式中：

Lr—直接頂垮落步距，m；

C—綜合弱化常數(shù)，一般取0．2～0．3；

σc—直接頂巖石單向抗壓強(qiáng)度，MPa；

hc—直接頂分層厚度，m；

P—基本頂初次來壓當(dāng)量；

Lf—基本頂初次來壓步距，m；

N—直接頂充填系數(shù)（直接頂厚度與煤層采高的比值）；

M1—煤層采高，m。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，直接頂巖石單向抗壓強(qiáng)度為75．6 MPa；直接頂分層厚度為2．092 m；綜合弱化常數(shù)取0．25；基本頂初次來壓步距為46．7 m，直接頂厚度10．46 m，煤層采高8．5 m，則直接頂充填系數(shù)為1．231。代入式（14）、式（15）可知：

通過現(xiàn)場實(shí)測，結(jié)合式（14）和式（15）對直接頂和基本頂進(jìn)行分類。

由Lr取值和P取值可知直接頂為3類，基本頂為4級。代入式（12）可知：

將u1～u6計(jì)算得出的結(jié)果代入式（1）中可知：

5 結(jié) 語

采用模糊數(shù)學(xué)方法對公烏素煤礦16＃煤層頂煤冒放性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，直接頂類別號為3，基本頂級別號為4，由F值可知公烏素煤礦頂煤冒放性屬于Ⅱ類，表示頂煤垮冒難度較小，垮落角在75°～85°，頂煤冒落形態(tài)為半拱式或柱狀式，不會出現(xiàn)懸頂現(xiàn)象，不用對頂煤采取預(yù)先弱化措施，說明了16＃煤層適合采用綜放技術(shù)開采。通過對公烏素煤礦1604綜放工作面現(xiàn)場實(shí)際觀測后發(fā)現(xiàn)：頂煤冒放性較好，能夠自行垮落并順利放出，進(jìn)一步驗(yàn)證了本次研究結(jié)果的正確性。

［1］ 王 飛．厚煤層頂煤可放性影響因素分析與評價(jià)［J］．煤炭工程，2010（4）：40-42．

［2］ 曲民強(qiáng)，康天合，靳鐘銘．頂煤冒放性的模糊數(shù)學(xué)分類研究［J］．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，29（2）：174-177．

［3］ 索永錄．綜放開采堅(jiān)硬頂煤預(yù)先爆破弱化技術(shù)基礎(chǔ)研究［D］．西安：西安科技大學(xué)，2004：45-47．

Research on Top-coal Caving Characteristics in Gongwusu Coal Mine

Xu Guo-hua，Zhang Jin-shan，Yao Ping，Li Chen，Wang Hong-wu，Li Chen

According to 16＃coal layer actual geological conditions of1604 fully mechanized caving face in Gongwusu coal mine，the paper analyzed top-coal caving characteristics according to the following six factors，such as coal intensity，roof fissuring and cracks，coal bed dirt layers，mining depth，coal seam thickness，roof rock characters and so on by using the classification method of fuzzy mathematic．Results indicate that the top-coal caving characteristics in 16＃coal is extremely good（Ⅱ），and it has an important guiding significance for producing practice of Gongwusu coal mine．

Fully mechanized top coal caving mining；Top-coal caving characteristics；Fuzzy mathematic；E-valuation

TD823．4+9

A

1672-0652（2013）09-0025-04

2013-06-06

徐國華（1965—），男，內(nèi)蒙古涼城人，2009年畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)，工程師，主要從事煤炭生產(chǎn)技術(shù)與管理工作（E-mail）lcjc＠163．com