王洼二礦215021工作面頂煤可放性研究及應(yīng)用

王彥林

（寧夏王洼煤業(yè)有限公司，寧夏 固原 756504）

王洼二礦215021工作面頂煤可放性研究及應(yīng)用

王彥林

（寧夏王洼煤業(yè)有限公司，寧夏 固原 756504）

王洼二礦以往采用的厚煤層分層綜采工藝，存在巷道掘進(jìn)率高、支護(hù)難度大、維護(hù)量大等問(wèn)題，制約了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高和礦井規(guī)模的擴(kuò)大。為了探索采煤工藝變革的可行性，筆者選擇該礦215021工作面為試驗(yàn)工作面，開(kāi)展煤層的可放性研究。通過(guò)對(duì)該工作面主采的5煤物理特性指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究，筆者確定了高韌性煤層的物理力學(xué)性質(zhì)，然后運(yùn)用多種方法對(duì)煤層的可放性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并通過(guò)工程實(shí)踐，確立了王洼二礦5煤綜放開(kāi)采工藝的可行性，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

高韌性；厚煤層；可放性

綜放開(kāi)采技術(shù)自1982年引入我國(guó)以來(lái)，獲得了巨大的發(fā)展，取得了舉世矚目的成績(jī)。人們?cè)诿号c瓦斯突出煤層、煤與頂板堅(jiān)硬煤層、大傾角煤層、“三軟”煤層均成功地進(jìn)行了綜放開(kāi)采技術(shù)試驗(yàn)研究與推廣應(yīng)用。寧夏地區(qū)是我國(guó)重要的產(chǎn)煤區(qū)，但是部分煤層存在高韌性的特點(diǎn)，頂煤破碎后容易形成大塊，不易放出，在一定程度上影響了綜放開(kāi)采工藝的應(yīng)用。近年來(lái)，一些學(xué)者所針對(duì)寧東煤田高韌性厚煤層的可放性開(kāi)展了大量研究，通過(guò)采取頂煤弱化等措施，成功實(shí)現(xiàn)了綜放開(kāi)采。但是，人們對(duì)于寧南煤田高韌性厚煤層可放性的研究甚少。

1 工作面基本情況

王洼二礦位于寧夏回族自治區(qū)南部，隸屬于中鋁寧夏能源集團(tuán)有限公司。礦井以往采用的厚煤層分層綜采工藝,存在巷道掘進(jìn)率高、支護(hù)難度大、維護(hù)量大、開(kāi)采成本高、生產(chǎn)能力受限等問(wèn)題，制約了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提高和礦井規(guī)模擴(kuò)大。為了探索采煤工藝變革的可行性，本文以該礦215021工作面為試驗(yàn)工作面，開(kāi)展煤層的可放性研究[1]。

215021工作面位于礦井21采區(qū)南翼第一個(gè)區(qū)段，主采的5煤平均厚度10 m左右，頂板以泥巖為主，偽頂較發(fā)育，屬易冒落的二類(lèi)有周期來(lái)壓頂板。底板以泥巖、粉砂巖為主，抗水、抗風(fēng)化和抗凍能力差，易軟化，屬極軟弱類(lèi)底板。

2 煤體物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 5煤物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試

為了詳細(xì)掌握王洼二礦5煤物理力學(xué)參數(shù)，采用微機(jī)控制RLJW-2000型巖石伺服壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)底板以上3.5 m、6.5 m和8.5 m三個(gè)層位煤體進(jìn)行物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 5煤物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果

2.2 5煤韌性分析

根據(jù)原煤炭科學(xué)研究總院對(duì)大同礦區(qū)忻州窯礦、銅川礦區(qū)下石節(jié)礦、彬長(zhǎng)礦區(qū)下溝礦、平朔礦區(qū)安家?guī)X礦、靈武礦區(qū)磁窯堡二礦等多個(gè)綜放開(kāi)采不易冒落煤層工作面統(tǒng)計(jì)分析，筆者構(gòu)建了影響煤的韌性的指標(biāo)體系，它們分別為彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、拉壓比、破壞前的變形量和孔隙率，可以用這五個(gè)指標(biāo)來(lái)定義煤的韌性[2]。高韌性煤的定義指標(biāo)如下：壓拉比＜16，彈性模量/GPa＜2，單軸抗壓強(qiáng)度＞15，軸向破壞應(yīng)變＞0.015，孔隙率＞12。

通過(guò)分析可知，王洼二礦5煤底板以上3.5 m，底板以上6.5 m以及底板以上8.5 m的壓拉比、彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、軸向破壞應(yīng)變、孔隙率15個(gè)自然狀態(tài)的指標(biāo)中滿足高韌性煤參考指標(biāo)的僅有5個(gè)。底板以上3.5 m層位的5個(gè)指標(biāo)中，滿足高韌性煤的指標(biāo)有2個(gè)，分別為彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度，另外軸向破壞應(yīng)變介于高韌性煤臨界點(diǎn)。底板以上6.5 m層位5個(gè)指標(biāo)中，滿足高韌性煤指標(biāo)僅有1個(gè)，即彈性模量，另外軸向破壞應(yīng)變介于高韌性煤臨界點(diǎn)。底板以上8.5 m層位5個(gè)指標(biāo)中，滿足高韌性煤指標(biāo)有2個(gè)，即彈性模量和拉壓比。

由此可知，王洼二礦5煤具有高韌性煤的部分特征，但是并不完全符合高韌性煤指標(biāo)，由于頂煤彈性模量、拉壓比較小，頂煤破壞前變形量大，導(dǎo)致煤體破壞前的撓度較大，頂板難以把支承壓力傳遞到頂煤，頂煤可放性受到一定影響。

3 頂煤冒放性綜合評(píng)價(jià)

本文采用理論分析、指標(biāo)評(píng)價(jià)分析、實(shí)驗(yàn)分析等方法，對(duì)王洼二礦5煤冒放性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

3.1 理論分析

根據(jù)我國(guó)多年生產(chǎn)實(shí)踐，影響頂煤冒放性的因素主要有開(kāi)采深度、煤層厚度與強(qiáng)度、煤層結(jié)構(gòu)、夾矸層數(shù)及其硬度和厚度、煤層頂?shù)装鍘r性及其厚度、煤與巖體裂隙發(fā)育程度等。

3.1.1 煤層賦存深度

在煤體強(qiáng)度（Rc）一定時(shí)，若其他影響因素參數(shù)不變，要使頂煤煤體在支承壓力作用下完全破壞，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，賦存深度（H）應(yīng)滿足下式：

按底板以上6.5 m和8.5 m層位5煤層平均單軸抗壓強(qiáng)度Rc=13.07～13.68 MPa計(jì)算，放頂煤開(kāi)采要求埋深為216～226 m，王洼二礦215021工作面5煤埋深約為370 m，滿足頂煤的臨界破壞條件。

3.1.2 煤層力學(xué)性質(zhì)

煤體物理力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，王洼二礦5煤抗壓強(qiáng)度不大，彈性模量較大，有一定韌性。頂煤破斷過(guò)程中變形量較大，容易形成大塊，對(duì)頂煤的冒放性有一定的影響。

3.1.3 節(jié)理裂隙

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，頂煤在支承壓力作用下易于破碎。同時(shí)，裂隙越密集，頂煤越易破碎、冒放塊度小，越利于放出，反之則越差。王洼二礦5煤節(jié)理裂隙發(fā)育，主要為垂直節(jié)理，有利于放頂煤冒放。

3.1.4 夾矸

開(kāi)采實(shí)踐證明，煤層中夾矸（單層）厚度不宜超過(guò)0.30 m，總厚度不宜超過(guò)0.8 m，其硬度f(wàn)系數(shù)不應(yīng)大于3，頂煤中夾矸層厚度占煤層厚度的比例也不宜超過(guò)10%～15%，否則，應(yīng)采取預(yù)破碎措施。王洼二礦5煤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含夾矸0～6層，厚度在0.05～0.64 m，平均0.20 m。巖性主要為泥巖和炭質(zhì)泥巖，硬度較小，煤層夾矸對(duì)放頂煤開(kāi)采影響不大。

3.1.5 頂板條件

王洼二礦5煤層直接頂以粉砂巖、中粒砂巖為主，粉砂巖易軟化，不耐水浸，抗變形能力較差。直接頂能夠隨采隨冒，就頂板條件而言，有利于頂煤冒放。

因此，雖然5煤物理力學(xué)性質(zhì)方面于對(duì)冒放性產(chǎn)生了一定的不利因素，但埋深、頂板、夾矸、節(jié)理裂隙等方面有利于頂煤冒放。

3.2 評(píng)價(jià)分析

根據(jù)頂煤冒放性評(píng)價(jià)模型，冒放性評(píng)價(jià)參數(shù)主要有以下九項(xiàng)。

3.2.1 采深與煤層抗壓強(qiáng)度

5煤埋深H＝370 m，平均抗壓強(qiáng)度Rc＝16.12 MPa。

H/Rc＝22.95。參照采深與煤層強(qiáng)度之比值與隸屬度值表格，則其隸屬度值μ1為0.85。

3.2.2 直接頂巖性

5煤直接頂以炭質(zhì)泥巖為主，抗變形能力較差，能夠隨采隨冒，其隸屬度值μ2取0.9。

3.2.3 老頂巖性

5煤老頂多為粉砂巖，抗壓強(qiáng)度大，抗變形能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，屬有周期來(lái)壓強(qiáng)烈頂板，其隸屬度值μ3取 0.6。

3.2.4 采放比影響

5煤平均厚度10.68 m，5煤普氏系數(shù)小于2.5，按采高3 m計(jì)算，則采放比為1:2.56，其隸屬度值μ4取0.8。

3.2.5 煤層節(jié)理

5煤內(nèi)外生裂隙發(fā)育，地質(zhì)報(bào)告中未給出節(jié)理裂隙間距值，其隸屬度值μ5暫取0.8。

3.2.6 夾矸厚度

5煤一般含0～6層夾矸，厚度在0.05～0.64 m，平均0.20 m，其隸屬度值μ6取0.8。

3.2.7 夾矸層強(qiáng)度

5煤夾矸主要巖性為泥巖、炭質(zhì)泥巖，夾矸層強(qiáng)度在10～20 MPa，屬軟弱巖層。其隸屬度值μ7取0.8。

3.2.8 冒放性權(quán)重分配

頂煤冒放性影響因素權(quán)重分配如表2所示。

表2 頂煤冒放性影響因素權(quán)重表

3.2.9 冒放性評(píng)價(jià)

由表可計(jì)算出μ＝∑Aiμi=0.801 5。

頂煤冒放性分類(lèi)如表3所示。

表3 頂煤冒放性分類(lèi)表

由表3可以看出，5煤μ值為0.801 5，考慮到5煤具有一定韌性，頂煤破裂后可能形成大塊，不易放出，綜合分析5煤冒放性為中等[3]。

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

采用相似模擬實(shí)驗(yàn)的方法從技術(shù)上對(duì)王洼二礦5煤的冒放性進(jìn)行研究。主要設(shè)備有相似材料模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)、Bw箔式微型壓力傳感器、DH3815N靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)。

未采取頂煤弱化及切眼斷頂措施時(shí)的模擬結(jié)果：模擬工作面推進(jìn)過(guò)程中，頂煤及直接頂不能及時(shí)夸落，繼續(xù)推進(jìn)后垮落塊度較大，頂煤的回收率較低。

采取頂煤弱化時(shí)的模擬結(jié)果：采取頂煤弱化及切眼斷頂措施后，隨著工作面的推進(jìn)，老頂則周期性垮斷，頂煤冒放性明顯改善。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

鑒于王洼二礦5煤存在一定韌性，對(duì)頂煤的冒放性影響存在不確定因素。因此，在215021工作面開(kāi)采試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)方案和采煤工藝參數(shù)進(jìn)行不斷的調(diào)整，并對(duì)頂煤冒放情況和回收率進(jìn)行對(duì)比分析[4]。

結(jié)果表明，當(dāng)采高為3.5 m時(shí)，采用兩采一放，并在采取卸錨索、錨桿、金屬網(wǎng)等措施情況下，能夠取得較為理想的頂煤冒放效果，偶爾會(huì)出現(xiàn)大塊煤情況，工作面回收率可達(dá)80%以上。在僅考慮掘進(jìn)費(fèi)用、回采電費(fèi)、回采設(shè)備折舊費(fèi)、回采材料消耗、回采人工費(fèi)及搬家費(fèi)用的情況下，工作面噸煤成本降低了36.4元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論

（1）王洼二礦5煤韌性對(duì)頂煤冒放性存在一定影響，通過(guò)對(duì)頂煤冒放性的綜合評(píng)價(jià)，筆者認(rèn)為在采取必要措施的前提下，它具備采用綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)的條件。

（2）綜放工藝在王洼二礦215021工作面得到了成功應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為今后中鋁寧夏能源王洼礦區(qū)厚煤層采煤工藝的合理選擇提供了強(qiáng)有力的借鑒。

（3）今后的開(kāi)采試驗(yàn)中，可采取頂煤弱化等措施，進(jìn)一步提高工作面回收率。

1 李玉民，李德榮.高韌性煤層綜放開(kāi)采可行性研究[J].煤炭工程，2004，（9）：14-16.

2 王家臣.厚煤層開(kāi)采理論與技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

3 徐 剛.改善綜放開(kāi)采高韌性頂煤冒放性技術(shù)研究[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2004.

4 靳鐘銘.放頂煤開(kāi)采理論與技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.

Study and Application of Top Coal in 215021 Working Face of Wangwa No.2 Mine

Wang Yanlin
(Ningxia King Coal Industry Co., Ltd., Guyuan 756504, China)

Wangwa No.2 Mine has adopted the deep coal seam stratified fully mechanized mining technology, which has the problems of high tunneling rate, large difficulty in supporting and large maintenance, which restricts the improvement of enterprise's economic efficiency and the expansion of mine scale.In order to explore the feasibility of coal mining process change, the author selected the 215021 working face for the test surface, to carry out the release of coal seam.Based on the experimental study on the physical properties of the 5 coal mining, the physical and mechanical properties of the high toughness coal seam are determined, and then the method can be used to evaluate the releaseability of the coal seam.Through the engineering practice, The feasibility and economic benefit of 5 coal fully mechanized top coal caving mining technology in Wangwa No.2 Mine.

high toughness; thick coal seam; release ability

TD823.49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500(2017)08-0106-04

2017-07-11

王彥林（1962-），男，寧夏隆德人，高級(jí)采礦工程師，研究方向：煤礦開(kāi)采。