2301工作面頂煤冒放性預(yù)測

李瑞金

(同煤大唐塔山煤礦有限公司，山西 大同 037001)

專題討論

2301工作面頂煤冒放性預(yù)測

李瑞金

(同煤大唐塔山煤礦有限公司，山西 大同 037001)

結(jié)合2301工作面頂煤煤層特性，分析了影響頂煤冒放性的7個(gè)因素，著重分析了頂煤夾矸對冒放性的影響，建立了力學(xué)模型。對2301工作面頂煤進(jìn)行聚類分析，并對2301頂煤冒放性作出冒放性較好的結(jié)果，預(yù)測放煤比較順利，現(xiàn)場放煤過程能夠驗(yàn)證預(yù)測結(jié)果。

冒放性預(yù)測；夾矸；聚類分析

1 工作面概況

2301工作面位于二采區(qū)最南部，所開采的是3下煤層。工作面東到地面工業(yè)廣場煤柱保護(hù)線，南到F24斷層，西至八里鋪斷層，北與2302工作面相鄰，距二采區(qū)3下回風(fēng)下山600 m，距南側(cè)1301工作面230 m～530 m。工作面走向長度961.8 m～1 059.8 m，平均1 010.8 m，工作面傾斜長度為206.2 m。

本工作面井下煤層頂板標(biāo)高為-499.8 m～-529.4 m，地面標(biāo)高為+34.49 m，開采深度為534.29 m～563.89 m。工作面內(nèi)煤層產(chǎn)狀變化較大，斷層褶曲發(fā)育，工作面中部總體為一南北向背斜構(gòu)造。

工作面回采的3下煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤層厚度2.2 m～8.2 m，平均5.7 m，變異系數(shù)為24.47%。煤層傾角為2°～25°(局部)，一般為5°。西部含夾矸1層～3層，厚0.1 m～0.4 m，西部煤層起伏較平緩；東部受斷層的影響，煤層傾角較大。對2301工作面煤層硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，煤層硬度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果f=2.14。煤層的頂、底板特性如表2所示。

表1 煤層硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

表2 煤層頂、底板巖性特征表

2 冒放性的預(yù)測

2.1 頂煤冒放性影響因素

經(jīng)過前人長期研究可知，影響頂煤冒放性的因素包括煤層開采深度、煤層厚度和硬度、密層夾矸的厚度和數(shù)量、頂煤節(jié)理發(fā)育情況、直接頂?shù)暮穸燃坝捕?、基本頂?shù)暮穸燃坝捕鹊取ｍ斆旱拿胺判圆皇且环N因素可以決定的，這說明頂煤冒放性的判定是多種因素綜合的判定結(jié)果[1-2]。

2.1.1 開采深度

煤層的賦存深度(H)直接影響著原巖應(yīng)力(γH)的大小，也影響著作用在工作面前方支承壓力峰值(KγH)的大小。頂煤在礦山支承壓力的作用下發(fā)生破壞。同時(shí)，考慮到長壁工作面沿平行工作面推進(jìn)方向上的平面應(yīng)力的變化不大，故可將其簡化成平面應(yīng)變模型。

根據(jù)格里菲斯強(qiáng)度理論，將式(1)[3]代入得式(2)。

(1)

(2)

式中：σc為煤體的單向抗壓強(qiáng)度，MPa；f為煤體的內(nèi)摩擦系數(shù)，一般取f=0.7。

式(1)即為開采深度(H)和煤體單向抗壓強(qiáng)度(σc)之間的比例關(guān)系。

若取K=2～3，上覆巖層的平均容重γ=2.5 t/m3、f=0.7、u=0.3，并將其代入(2)式，則得到頂煤僅受支承壓力作用發(fā)生破壞的開采深度，見式(3)。

H≥(28.22～95.79)σc

(3)

可以看出，開采深度H越大，頂煤臨界破壞條件越容易滿足。也就是說，頂煤的冒放性也越好。

2.1.2 煤層強(qiáng)度

煤層的強(qiáng)度決定著煤層本身的抗破壞能力，直接影響煤層在上覆巖層反復(fù)施加荷載及支護(hù)造成的煤層的破壞程度，煤層越硬，抗破壞能力越強(qiáng)，冒放性也就越差[4]。

2.1.3 煤體弱面性質(zhì)

煤體弱面是煤體層理和節(jié)理裂隙的總稱。煤體弱面的發(fā)育程度，不但影響著煤體的完整性，而且對頂煤的冒放性也有較大的影響。弱面性質(zhì)的主要衡量參數(shù)有弱面的密度、傾向、傾角、跡線的持續(xù)長度等，這些參數(shù)集中反映了煤體弱面的空間分布狀態(tài)。只有煤體弱面發(fā)育且呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布，才有利于頂煤的冒放。

2.1.4 煤層夾矸

煤層中含有夾矸是該礦煤層賦存的一大特色。夾矸的硬度計(jì)層數(shù)直接影響頂煤的破碎程度、冒放性，同時(shí)直接影響放煤的含矸率。工作面推進(jìn)過程含夾矸的頂煤冒放過程可見圖1(a)，中部夾矸可視為一懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示[5]。

懸臂梁的最大彎矩為式(4)。

(4)

懸臂梁的最大拉應(yīng)力為式(5)。

(5)

令σ大于等于夾矸層的抗拉強(qiáng)度Rt，則式(5)變?yōu)槭?6)。

(6)

單位統(tǒng)一后，式(6)變?yōu)槭?7)。

(7)

式中：l為夾矸層懸臂最大長度，m；γ矸為夾矸層的容重，KN/m3；γ煤為頂煤的容重，kN/m3；h煤為夾矸層上部的頂煤厚度，m；Rt為夾矸層的抗拉強(qiáng)度，MPa；H為夾矸層的厚度，m。

夾矸層的懸臂長度一般取1 m左右，經(jīng)過支架反復(fù)支撐，可以滿足冒放性要求，則式(7)可演變成式(8)。

(8)

式(8)中，Rt為夾矸層的抗拉強(qiáng)度。Rt可以通過實(shí)驗(yàn)室測定，也可以用(9)式估算。

(9)

式中：Rc為夾矸的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；K為裂隙系數(shù)，一般砂巖取K=0.7，頁巖取K=0.45。

為了確定夾矸層的臨界厚度，應(yīng)取Rc的最大值計(jì)算。根據(jù)該礦的巖層性質(zhì)，砂巖的Rc取50 MPa。頁巖的Rc取30 MPa。這樣，砂巖和頁巖的Rt分別為3.5 MPa和13.5 MPa，夾矸的容重γ矸=25 kN/m3，煤的容重γ煤=13.5 kN/m3。

隨著夾矸層上部煤層厚度的增大，夾矸層的臨界厚度也逐漸增大，其變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 臨界夾矸層厚度變化規(guī)律

2.1.5 煤層頂板

煤層的頂板一般包括直接頂和老頂。直接頂一般強(qiáng)度不大，能夠隨著頂煤的冒落而破碎冒落，造成頂煤落煤夾矸。老頂一般不易破碎，對頂煤的破裂有不利影響，但其堅(jiān)硬的性質(zhì)會形成較高的支承壓力，有利于前方頂煤預(yù)裂隙的形成。因此，有利于頂煤的冒放性。

2.1.6 采放比

采放比對頂煤冒放性的影響主要體現(xiàn)在2方面：1) 支架對頂煤影響的高度。研究表明，支架影響范圍一般在支架上方的2 m～3 m；2) 影響頂煤破裂過程中體現(xiàn)出來的碎脹性。因此，頂煤冒落后能充分松散的采放比為式(10)。

(10)

式中：K為采放比；mg為工作面割煤高度，m；h為支架放煤口高度，m；ks為煤的破碎松散系數(shù)。

2.2 頂煤冒放性的聚類分析

由于頂煤冒放性是各種因素綜合作用的結(jié)果，各種因素對頂煤冒放性的影響程度不相同，在衡量各因素影響程度時(shí)存在著許多模糊因素，因此，在本文中對頂煤冒放性的評價(jià)采用模糊綜臺評價(jià)技術(shù)[6]。

2.2.1 評價(jià)指標(biāo)體系的建立與取值

雖然影響頂煤冒放性的因素很多，但根據(jù)其影響程度，在本文的研究中取煤層硬度、開采深度、弱面性質(zhì)、煤層夾矸、直接頂、老頂和采放比7個(gè)主要因素作為綜合評價(jià)的指標(biāo)體系。各指標(biāo)的取值方法如下：

煤層硬度(X1)：取煤層的普氏硬度系數(shù)(f)。

開采深度(X2)：以m為單位。

弱面性質(zhì)(X3)：弱面性質(zhì)主要是指煤體弱面的發(fā)育程度。弱面的發(fā)育程度難以在現(xiàn)場直接量測得到，一般可根據(jù)工作面和順槽所揭露的煤體綜合觀測煤體弱面的發(fā)育程度。

夾矸層(X4)：取比煤硬的最厚的一層夾矸層的厚度。

直接頂(X5)：直接頂對頂煤冒放性的影響主要體現(xiàn)在直接頂對采空區(qū)的充填程度，取值如式(11)。

(11)

式中：Kp為直接頂?shù)钠泼浵禂?shù)；∑h為直接頂?shù)暮穸龋琺；m為煤層厚度，m。頂煤弱面發(fā)育程度取值表見表3。

表3 頂煤弱面發(fā)育程度取值表

老頂(X6)：取老頂?shù)募墑e。

采放比(X7)：采放比按(12)式計(jì)算。

(12)

式中：mf為工作面的放煤高度，m；mg為工作面的割煤高度，m。

2.2.2 指標(biāo)權(quán)重的建立

雖然在研究過程中我們己從影響頂煤冒放性的眾多因素中選擇了7個(gè)影響程度較大的因素，并對某些因素的影響進(jìn)行了分析，但這些因素對頂煤冒放性的影響程度并不相同，這種影響程度的差異通常用指標(biāo)的權(quán)重來表示。根據(jù)多年來從事放頂煤開采研究和實(shí)踐的專家及工程技術(shù)人員的調(diào)查，并結(jié)合以往的研究成果，采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)歸納方法，整理出各指標(biāo)對頂煤冒放性影響程度(權(quán)重)，如表4所示。

表4 各影響因素的重要性排序及權(quán)重表

由表4可以看出，煤層硬度和弱面性質(zhì)對頂煤冒放性的影響很大，而其他幾項(xiàng)指標(biāo)的影響程度相對較弱。

2.2.3 評判標(biāo)準(zhǔn)的建立

頂煤冒放性的衡量標(biāo)準(zhǔn)是對頂煤冒放性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)，同時(shí)又是一個(gè)難以用定量標(biāo)準(zhǔn)來衡量的多因素綜合作用的定性指標(biāo)。為了直觀地對頂煤冒放性作用作出判斷，在本文的研究中仍然采用傳統(tǒng)的4個(gè)類別分類法。各個(gè)類別的冒放性如表5所示。

2.2.4 模糊聚類分析

由于影響頂煤冒放性指標(biāo)中有些指標(biāo)的取值具有一定的模糊性，因此，在對頂煤冒放性的預(yù)測中，我們采用了傳統(tǒng)的模糊聚類分析法。同時(shí)，由于這

表5 頂煤冒放性的衡量標(biāo)準(zhǔn)表

些指標(biāo)在取值過程中，有的指標(biāo)值越大對頂煤的冒放性越有利，有的指標(biāo)值越小對頂煤的冒放性越有利，并且不同的指標(biāo)具有不同的量綱值，所以在聚類分析時(shí)，首先對各指標(biāo)值進(jìn)行了無量綱化。由于模糊聚類分析是一種成熟的分析方法，所以其聚類中心的建立在此不再贅述。

2.3 2301工作面頂煤冒放性預(yù)測

采用所建立的模糊聚類方法，結(jié)合2301工作面的特點(diǎn)，對其5個(gè)樣本的冒放性進(jìn)行了預(yù)測，其預(yù)測結(jié)果如表6所示。

表6 2301工作面頂煤冒放性預(yù)測結(jié)果表

3 結(jié)論

通過上述預(yù)測結(jié)果可以看出，2301工作面大部分條件下頂煤的冒放性都屬于II類，即頂煤能夠自行垮落，并能夠比較順利地放出。當(dāng)然，有時(shí)出現(xiàn)大塊卡口現(xiàn)象，但如果支架操作得當(dāng)，并不影響放頂煤開采的實(shí)施。2301工作面的開采實(shí)踐證明，對頂煤冒放性的預(yù)測結(jié)果能夠客觀地反映出2301工作面的實(shí)際情況，說明預(yù)測結(jié)果是可靠的。

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Prediction of top coal caving in 2301 working face

LI Ruijin

(Datong Coal Mine Datang Tashan Coal Mine Co., Ltd., Datong Shanxi 037001, China)

Combined with the 2301 top coal seam characteristics,this paper analyzes 7 factors influencing the caving ability of top coal, focuses on the influence of top coal gangue on cavibility, and establishes mechanical model. The cluster analysis of top coal in 2301 working face is provided.The results show that the caving property of top coal caving in 2301 working face is good.And the prediction of the coal caving is smooth. The top coal caving process verifies the prediction results.

prediction of caving; gangue; cluster analysis

2016-11-09

李瑞金，男，1987年出生，2011年畢業(yè)于重慶大學(xué)采礦工程專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)在同煤大唐塔山煤礦有限公司工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.01.17

TD82

A

1004-7050(2017)01-0055-04