淺埋深特厚煤層頂煤冒放性影響因素分析

馬延斌

(遼寧煤礦安全監(jiān)察局遼東監(jiān)察分局，遼寧沈陽 110042)

1 工程概況

頂煤能否有效順利放出是放頂煤開采的關(guān)鍵所在。因此，科學(xué)合理評價頂煤冒落及放出的難易程度對綜放開采具有重要的實際意義。為此，許多學(xué)者從不同角度對頂煤冒放性的影響因素和分類進(jìn)行了研究。文1采用分形理論、相似模擬、現(xiàn)場統(tǒng)計及計算機(jī)優(yōu)化等手段［1］，研究了頂煤冒放性的自然影響因素;文2在模糊聚類分析的基礎(chǔ)上［2］，利用模糊模式識別方法對頂煤冒放性進(jìn)行分類預(yù)測研究，均取得了一定的成果。通過大量的理論和實驗分析可知，影響綜放開采頂煤冒放性的因素有:采深、煤層強(qiáng)度、煤層厚度、直接頂厚度、裂隙發(fā)育程度等［3］。

井工一礦4#煤層位于太原組頂部，為上組煤主要可采煤層，全區(qū)穩(wěn)定可采。厚8.02 m～18.2m，平均13.90m。煤層平均硬度系數(shù) f=1.54，屬中硬煤層。中部以不規(guī)則形狀向南東方向分叉，分岔上層為 4－1煤，下層為 4－2煤，4#煤層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 4#煤的物理力學(xué)性質(zhì)表

2 頂煤冒放相關(guān)因素分析

2.1 開采深度對頂煤冒放性的影響

頂煤的破壞主要受地應(yīng)力和煤體的強(qiáng)度的影響，地應(yīng)力的大小主要取決于煤層的埋藏深度和超前應(yīng)力集中系數(shù)，其破壞以剪切破壞為主，符合摩爾庫倫準(zhǔn)則，開采深度H和煤體抗壓強(qiáng)度Rc的關(guān)系為:

式中:Rc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，15.4 MPa;γ為上覆巖層平均容重，取25kN/m3;K為峰值應(yīng)力集中系數(shù)，取 2.5;K'=(1+sinφ)/(1－sinφ)=3.44;φ為煤體內(nèi)摩擦角，34.38o;λ為側(cè)壓系數(shù)，取0.25。經(jīng)計算可得，H=0.301km。

由公式(1)計算結(jié)果可知，當(dāng)開采深度達(dá)到301m以上時，頂煤開始破壞，4106工作面地面標(biāo)高為+1440～+1284(m)，工作面標(biāo)高為+1224～+1050(m)，大部分區(qū)域埋藏深度不超過300m，埋藏較淺，不利于頂煤的冒放［4］。

2.2 煤層強(qiáng)度對頂煤冒放性的影響

煤層強(qiáng)度對頂煤冒放性有直接的影響，4號煤層的單軸抗壓強(qiáng)度為11.5～24.8MPa，平均抗壓強(qiáng)度為15.4 MPa，屬于中硬煤。

圖1 煤層強(qiáng)度(Rc)和破碎帶傾角的關(guān)系

煤體強(qiáng)度與頂煤的垮落角有密切的關(guān)系，一般頂煤垮落角θ＜60°的情形，其放出率約為30%左右，θ＜80°的頂煤，放出率超不過50，只有 θ＞80°的頂煤，放出率才可能達(dá)到60 ～70 以上［5］，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)可知，4#煤層頂煤的的冒落角約為95o，頂煤處于支架上方的剪力區(qū)內(nèi)，有利于頂煤的冒放。

2.3 煤層厚度的影響

煤層厚度對冒放性的影響，過薄的頂煤是隨采隨冒，很難控制其一定在支架尾部冒落;過厚的頂煤在控頂區(qū)內(nèi)，上部頂煤難以充分松動的，難以冒落的。且在放煤過程中，滯后冒落的頂煤與直接頂板的冒落混在一起，使其含矸率增大。因此，頂煤厚度在合理的范圍內(nèi)有利于頂煤的冒放［6］。

中硬煤的最大臨界煤厚為:

式中:S為頂煤冒寬，m;目前該礦放頂煤支架為1.6m，f1為煤塊內(nèi)摩擦角系數(shù)，f1=0.5～0.7，平均0.6;L為放煤支架控頂距，取4.9m，φ為松散煤體內(nèi)摩擦角，平均30°.帶入公式得:

根據(jù)中硬煤的半拱冒放結(jié)構(gòu)，可得該條件下的最小臨界厚度為:

式中:α為放煤口高度，其余符號同前，帶入公式得:

根據(jù)4107主運巷素描圖可得頂煤厚度變化如圖2所示:

從圖2.4和表2.4可以看出，頂煤厚度變化較大，小于3m的占7.5%，3～4m的占27.5%，4～5m的占22.5%，5～6m的占27.5%，6～7m的占12.5%，大于7m的占27.5%?？煽闯?0%的頂煤在最大、最小臨界厚度之間，表明該區(qū)域內(nèi)的煤層厚度適合采用綜放工藝。

2.4 夾矸對頂煤冒放性的影響

根據(jù)夾矸的層位，夾矸可分為上部夾矸、中部夾矸和下部夾矸，下部夾矸可被采煤機(jī)直接切割或在支架作用下易破碎而冒落;中部夾矸或較厚的上部夾矸其余的中部夾石層是對頂煤冒放性影響較大;當(dāng)中部厚度大、巖性強(qiáng)度高時，可能會形成難冒落的懸頂狀態(tài)，阻止了上部頂煤的冒放，嚴(yán)重降低頂煤放出率。為定量分析夾矸對頂煤冒放的影響，夾矸影響系數(shù)為:

圖2 4106工作面頂煤厚度分布圖

式中:M為煤層厚度，Mc為放煤厚度和底層采高，m;Rcm為煤層抗壓強(qiáng)度，MPa;夾矸層數(shù)為nr，各夾矸層厚度為 mri，各層強(qiáng)度為 Rri。

如煤的強(qiáng)度大于夾矸的強(qiáng)度，夾矸對頂煤的冒放性沒有影響;煤層強(qiáng)度大于夾矸層時，JG值越大，影響頂煤冒放性越嚴(yán)重。太西區(qū)4#煤平均煤厚為10 m，平均夾矸厚度取 0.3m，Rcm=15.4 MPa，Rri=50.44 MPa，帶入公式得:JG=4.78 ＞1。表明夾矸對頂煤冒放影響較大［7，8］。

2.5 頂煤節(jié)理裂隙對冒放性的影響

節(jié)理裂隙發(fā)育的煤層，煤體的完整性較差，整體強(qiáng)度下降，裂隙越密集，頂煤越易破碎、冒放塊度越小，越利于放出，也即頂煤冒放性越好，反之則越差。節(jié)理裂隙對巖體強(qiáng)度的影響程度與節(jié)理裂隙的走向、傾角、密度、裂縫充填程度等有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場實測，4#煤主要有2組節(jié)理，傾向大約分別為60°和320°。傾角主要都分布在70°到90°之間，有利于頂煤的冒落。

表3 節(jié)理間距和跡長的平均值

3 模糊數(shù)學(xué)綜合評價

根據(jù)宋選民在綜放采場頂煤冒放性控制理論及其應(yīng)用的研究中，利用模糊數(shù)學(xué)推導(dǎo)了冒放性綜合指標(biāo)值Y和各影響因素的數(shù)學(xué)關(guān)系為［9］:

式中:H為開采深度，取均值200m;Rc為煤體抗壓強(qiáng)度，15.4MPa;Mj為夾石厚度，0.3m;Md為頂煤厚度，取均值6m;D1為煤體裂隙分維值，取1.5。經(jīng)計算可得:Y=0.7469。

表2 頂煤冒放性綜合指標(biāo)y分類表

因此，由表2可知，4#煤層的冒放性為Ⅲ類，屬于冒放性中等的程度。即其頂煤放出率一般為50～64%，開采過程應(yīng)適當(dāng)提高支架工作阻力，選擇合理的架型和放煤參數(shù)。

4 結(jié)論

1)通過分析井工一礦4106工作面頂煤冒放相關(guān)因素可知:該煤層埋深大部分小于300m左右，埋藏較淺，不利于頂煤的冒放。煤中夾矸對頂煤的冒落影響較大，需要采取松動爆破措施以增加頂煤的冒放性。4#煤主要有2組節(jié)理，傾向大約分別為60o和320o。傾角主要都分布在70°到90°之間，這有利于頂煤的冒落。

2)運用模糊數(shù)學(xué)綜合評價4#煤層的頂煤冒放性綜合指標(biāo)值Y為0.7469，冒放性為Ⅲ類，屬于冒放性中等的程度。該種條件下放煤應(yīng)適當(dāng)提高支架工作阻力，選擇合理的架型和放煤參數(shù)。

［1］ 靳鐘銘，宋選民，康天合，等. 頂煤冒放性影響因素及分類研究［A］.//吳鍵編.綜合機(jī)械化放頂煤開采論文集［C］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1996，65 －72.

［2］ 賈光勝，樊運策.綜放開采頂煤冒放性研究［A］.//吳鍵編.綜合機(jī)械化放頂煤開采論文集［C］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1996，73 －79.

［3］ 呂夢蛟.綜放開采頂煤冒放性因素分析與評價［J］.山西煤炭，2009，29(3):20 －23.

［4］ 周鳳燕.朝克烏拉礦綜放開采頂煤冒放性研究［D］.沈陽:遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士論文，2010.

［5］ 趙慶彪，張振芳，王德勝.極近距離煤層整體合層綜采放頂煤 (巖)技術(shù)［J］.煤礦開采，2013，18(2):22－25.

［6］ 盧國梁.兩硬條件綜放開采關(guān)鍵技術(shù)［J］.煤礦開采，2009，14(3):23 －25.

［7］ 范世民，胡學(xué)軍.放頂煤開采頂煤冒放性分類及其在潞安礦區(qū)的應(yīng)用［J］. 煤炭學(xué)報，2005，4.

［8］ 賈光勝，田有明，常海雷，等.王坡井田3號煤層綜放開采可行性研究［J］.煤礦開采，2004.6.

［9］ 宋選民.綜放采場頂煤冒放性控制理論及其應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2002.