地質(zhì)因素對(duì)大陽煤礦頂煤冒放性的影響

李　晨，李　家

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城 048003）

地質(zhì)因素對(duì)大陽煤礦頂煤冒放性的影響

李晨，李家

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城 048003）

摘要：根據(jù)頂煤冒放性的影響因素，基于模糊數(shù)學(xué)理論以地質(zhì)影響因素為指標(biāo)對(duì)大陽煤礦3號(hào)煤進(jìn)行頂煤冒放性研究，結(jié)果表明3號(hào)煤直接頂為2類，基本頂為3級(jí)，頂煤冒放性好（Ⅱ類），對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐具有指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：放頂煤開采；冒放性；模糊理論

放頂煤開采技術(shù)主要用于厚及特厚煤層的開采，頂煤冒放性是影響放頂煤開采效果的主要參數(shù)之一。頂煤冒放性可以理解為頂煤在上覆巖層重力和液壓支架支撐壓力作用下厚煤層頂部煤體冒落和放出的難易程度［1-4］。文中基于模糊數(shù)學(xué)理論，對(duì)山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司3號(hào)煤頂煤冒放性進(jìn)行了研究，結(jié)果不僅可以指導(dǎo)該煤礦的生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)于周邊同樣采用放頂煤開采的煤礦也具有借鑒作用。

1　礦井概況

大陽煤礦隸屬山西省晉城市澤州縣大陽鎮(zhèn)，井田中心地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°43′45″-112°50′37.5″，北緯35°37′30″-35°45′00″。2015年二季度末3號(hào)煤層資源儲(chǔ)量為8 118.31萬t，可采儲(chǔ)量為3 018.81萬t；9號(hào)煤層資源儲(chǔ)量為2 001萬t，可采儲(chǔ)量為1 221萬t；15號(hào)煤層資源儲(chǔ)量為6 557 萬t，可采儲(chǔ)量為3 825萬t。礦井資源儲(chǔ)量共為16 676.31萬t，可采儲(chǔ)量共為8 064.81萬t。3404工作面開采3號(hào)優(yōu)質(zhì)無煙煤，平均煤厚為5.72m，煤層傾角0°～15°，硬度為3，含有夾矸0至2層，走向長度1 139 m，傾斜長度220 m，井田面積250 580 m2。煤層直接底厚度9m，偽頂厚度0.5m，直接頂厚度4.3m，均為灰黑色泥巖；老頂厚度8.8m，為灰色中砂巖。井田位于太行山復(fù)背斜與沁水復(fù)向斜之間、處在晉獲褶斷帶西側(cè)，通過地質(zhì)資料和采掘過程中礦井下揭露的情況分析獲得。開采范圍內(nèi)較大規(guī)模的褶曲有5條，斷層4條，陷落柱39個(gè)，其中巖溶陷落柱近似橢球形，其平面形態(tài)以橢圓形為主，絕大多數(shù)呈圓形或不規(guī)則形態(tài)，這些巖溶陷落柱的形態(tài)呈上小下大的倒漏斗形柱狀陷落體，且呈現(xiàn)出大小不一的斷面，井田內(nèi)無巖漿巖體出露。

2　頂煤冒放性的影響因素

頂煤冒放性決定了煤層是否適用放頂煤開采方法，同時(shí)也是放頂煤開采中的一個(gè)重要開采參數(shù)。眾所周知，放頂煤開采技術(shù)用于厚煤層開采，開采過程中利用采煤機(jī)割底煤，利用上覆巖層的壓力和液壓支架的擠壓作用破碎頂煤，然后放出頂煤［5］。頂煤冒放性的好壞決定了頂煤是否能順利放出。通常影響頂煤冒放性的因素有地質(zhì)因素和放煤工藝參數(shù)因素。其中放煤工藝是主觀因素，隨著工藝參數(shù)的選取不同效果不同；而地質(zhì)因素是客觀因素，它不會(huì)隨主觀變化。因此在研究煤層是否可以采用放頂煤開采技術(shù)時(shí)，地質(zhì)因素就顯得格外重要。研究發(fā)現(xiàn)影響頂煤冒放性的地質(zhì)因素主要有以下六方面［6］。

2.1頂板巖性

地下開采中的煤層有其頂?shù)装澹S著開采及時(shí)冒落，直接頂?shù)拿奥錉顟B(tài)決定著是否能夠充滿采空區(qū)。

2.2煤層厚度

放頂煤開采中的煤層厚度一般都比較大，合理確定采放比就顯得格外重要。合理的采放比會(huì)使得頂煤被全部放出后，頂板及時(shí)垮落；較小的采放比會(huì)使得頂煤與頂板矸石一起放出，增大了含矸率；較大的采放比會(huì)造成部分頂煤被遺留在采空區(qū)。

2.3開采深度

煤層的賦存深度也決定著頂煤冒放性，賦存較淺的煤層受到的上覆巖層的壓力較小，賦存較深的煤層受到的上覆巖層壓力較大，對(duì)頂煤冒放性是極為有利的。

2.4夾矸

夾矸是指混在礦石中的暫時(shí)無開發(fā)利用價(jià)值的巖石。對(duì)于煤體而言夾矸一般存在于煤體內(nèi)部。放頂煤開采中夾矸的位置、厚度等參數(shù)也影響著頂煤的冒放性。如果夾矸位于頂煤的底部時(shí)，則在放煤過程中會(huì)先放出矸石，然后才是煤炭，增大了煤炭中的矸石含量；如果矸石在頂部煤體中間，放出的煤炭中含矸也會(huì)增大煤炭的含矸率，同時(shí)夾矸的軟硬程度也影響著頂煤的放出量，較硬的夾矸影響頂煤的放出；如果夾矸位于頂煤頂部，則在外界壓力擾動(dòng)下會(huì)使得煤與矸石離層，促進(jìn)頂煤的放出。

2.5煤內(nèi)部裂隙

煤體內(nèi)部裂隙是否發(fā)育在一定程度上也影響著冒放性。內(nèi)部裂隙不發(fā)育的煤體強(qiáng)度比較大，煤體很難被破壞，內(nèi)部裂隙較發(fā)育的煤體在受到外界擾動(dòng)壓力作用下會(huì)使得裂隙進(jìn)一步貫通，很大程度上降低了煤體的硬度，內(nèi)部裂隙貫通。

2.6煤體強(qiáng)度

人們?cè)趯?shí)踐生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，巖體的破碎效果有好有壞，這與巖石的硬度有很大關(guān)系，衡量硬度的大小通常用普氏硬度系數(shù)f來表示。對(duì)于煤而言，f越小，說明煤越容易被破壞，那么頂煤能夠及時(shí)冒落；f越大，說明煤體越難被破壞，頂煤就不容易被破碎成合理塊度，難以冒落放出。

3　評(píng)價(jià)方法

上述6個(gè)因素一起決定了頂煤的冒放難易程度［7］。根據(jù)模糊學(xué)理論，上述6個(gè)地質(zhì)因素的綜合隸屬度F的取值可以對(duì)大陽煤礦3號(hào)煤頂煤冒放性作出評(píng)價(jià)。

可以將這6個(gè)因素用集合說明：

U=｛u1，u2，u3，u4，u5，u6｝=｛D，M，H，g，RM，σc｝.

F可以由下列公式計(jì)算得出：

式中：ui（ui）為對(duì)冒放性有影響的第i個(gè)因素的取值；wi為對(duì)冒放性有影響的第i個(gè)因素的權(quán)重。wi的取值由文獻(xiàn)可知［7-8］：

W=（w1，w2，w3，w4，w5，w6） =（0.04，0.14，0.22，0.16，0.20，0.24）。

ui（ui）的取值根據(jù)函數(shù)通過計(jì)算得到。

1）頂板巖性D

式中：DL為煤上方老頂所處的分類號(hào)；Dz為煤上方直接頂?shù)姆诸愄?hào)。

2）煤層厚度M

式中：M為煤層厚度，m。

3）開采深度H

式中：H為煤層的賦存深度，m。

4）夾矸g

夾矸總厚度gh：

夾矸層中位線距底板的距離gw：

式中：gh為夾矸總厚，m；M為煤厚，m；gR為夾矸抗壓強(qiáng)度，MPa；M1為采高，m；gw為煤層中所含夾矸與底板的高度，m。

5）煤內(nèi)部裂隙RM

式中：S1為位于頂煤中的裂隙的平均間隔，m；S2為頂煤分層厚度，m。

6）煤體強(qiáng)度σc

式中：σc為煤體抗壓強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)大陽煤礦3號(hào)煤賦存條件以及煤層力學(xué)參數(shù)，代入公式（1）-（12）可求得F的取值，根據(jù)F值判斷頂煤的冒放性［8］。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，F(xiàn)值越小表示冒放難度越小，如表1所示：

表1　頂煤冒放性分類表

4　大陽煤礦頂煤冒放性評(píng)價(jià)

1）頂板巖性

由緩傾斜煤層采煤工作面頂板分類可知，直接頂?shù)姆诸惡突卷數(shù)姆旨?jí)可按照表2和表3得出。

表2　直接頂分類指標(biāo)

表3　基本頂分級(jí)指標(biāo)

直接頂垮落步距：

基本頂初次來壓當(dāng)量：

式中：M1為煤層厚度，m；N為直接頂垮落高度與煤層厚度之比；Lf為基本頂初次來壓步距，m；P為基本頂初次來壓當(dāng)量；hc為直接頂分層厚度，m；σc為直接頂單向抗壓強(qiáng)度，MPa；C為綜合弱化常數(shù)，一般取0.2～0.3；Lr為直接頂垮落步距，m。

通過煤層柱狀圖可知煤層厚度為5.72m，直接頂厚度4.3 m，則直接頂充填系數(shù)為1.653 8，直接頂分層厚度是2.15m，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)驗(yàn)測(cè)定得出直接頂巖石單向抗壓強(qiáng)度為24.37MPa；綜合弱化常數(shù)取0.25；基本頂初次來壓步距為32.6 m，代入式（13）和式（14）可知：

由Lr取值和P取值可知直接頂為2類，基本頂為3級(jí)。代入式（2）可知：

2）煤層開采厚度

從地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)煤厚可知，3號(hào)煤賦存厚度為4.58 m～6.86m，加權(quán)平均厚度為5.72m，代入式（3）可知：

3）開采深度

從地質(zhì)資料圖可知，3號(hào)煤層賦存深度為340.67 m～523.63 m，則平均賦存深度為432.15 m，代入式（4）中可知：

4）夾矸影響

由地質(zhì)資料圖可知，3號(hào)煤層夾矸粘土頁巖厚度為0.58m，夾矸層中位線距底板距離為3.96 m，夾矸的抗壓強(qiáng)度測(cè)定與煤體抗壓強(qiáng)度測(cè)定方法一樣，其結(jié)果夾矸抗壓強(qiáng)度為6.43 MPa，代入式（5）-式（8）中可知：

5）裂隙分布

由現(xiàn)場(chǎng)觀察和取煤樣分析得到頂煤中主裂隙平均間隔位0.26m，頂煤的宏觀分層厚度1.04m，代入式（9）至式（11）中可知：

6）煤體強(qiáng)度的測(cè)定

在3404綜放工作面現(xiàn)場(chǎng)取煤樣，將取到的煤樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)切割，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行力學(xué)參數(shù)測(cè)定。

式中：P為破壞載荷，N；A為試驗(yàn)使用的煤樣的受力面積，mm2。

測(cè)定結(jié)果，煤體平行層理的抗壓強(qiáng)度為8.96 MPa，垂直層理的抗壓強(qiáng)度為11.2 MPa，則平均抗壓強(qiáng)度為10.08MPa，代入式（12）中可知：

將u1-u6計(jì)算得出的結(jié)果代入式（1）中可知：

5　結(jié)束語

通過研究發(fā)現(xiàn)大陽煤礦3號(hào)煤直接頂為2類，基本頂為3級(jí)，頂煤冒放性好，在開采過程中頂煤能夠自然垮落，不需要采取弱化措施，為采煤工藝的選擇提供了理論依據(jù)，研究結(jié)果對(duì)于周邊開采3號(hào)煤的其他煤礦采煤工藝的選擇同樣具有指導(dǎo)意義。

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（編輯：楊鵬）

中圖分類號(hào)：TD821

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5050（2016）03-046-04

DO I：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.06.014

收稿日期：2015-12-26

作者簡介：李晨（1986-），男，山西晉城人，碩士，助理工程師，從事煤礦開采安全生產(chǎn)管理工作。

Effect of Geological Factors on Top Coal Caving in Dayang M ine

LIChen,LIJia
（Dayang CoalMine Branch，Shanxi Lanhua Technology Co.，Ltd.，Jincheng 048003，China）

Abstract：According to cavability factors，geological factors，as the indicators，were used to study the top coal caving on the No.3 coal seam in Dayang Mine based on fuzzy theory.The results show that the immediate roofof No.3 seam is type II，themain roof isgrade3，and the top coal caving isgood（type II），which could provide theguidance for the production.

Keywords：top coalcaving；cavability；fuzzy theory