大傾角特厚煤層綜放開采頂煤冒放性評價(jià)

李春光

(山西壽陽潞陽瑞龍煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400)

通過綜放開采工藝可以大大提高礦井生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)，頂煤的冒放性是影響綜放工作面生產(chǎn)效率的重要因素。若綜放工作面頂煤冒放性差，會造成采煤機(jī)截割之后，頂煤難以垮落，影響煤炭資源的回收率，必須采取強(qiáng)制放頂煤的技術(shù)措施。而各煤礦綜放開采實(shí)際工程地質(zhì)條件千差萬別，因此必須根據(jù)其工程地質(zhì)條件的情況，對影響頂煤冒放性因素進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而對頂煤的冒放性進(jìn)行綜合評價(jià)。

1 礦井及工作面基本情況

龐龐塔煤礦地處山西省臨縣縣城以東，井田南北長20 km、東西寬3 km，面積60.731 km2，保有儲量約12億t，產(chǎn)能1 000萬t/a。9-301工作面位于三采區(qū)，工作面走向長1 327 m，傾斜長247 m，北側(cè)與采區(qū)暗斜井相鄰，其南側(cè)與井田邊界相鄰，西側(cè)與已回采的9-101工作面相鄰，東側(cè)煤炭資源未開采，部分地段上覆5號煤層5-108、5-101采空區(qū)。蓋山厚度為320～500 m，平均埋深460 m。9號煤層厚度10.8～12.4 m，平均11.8 m；傾角4～30°，平均20°。機(jī)采高度、放煤高度分別為3.2 m、8.6 m，采用一采一放的方式，割煤步距0.8 m。

2 影響頂煤冒放性的因素及其評價(jià)函數(shù)

大傾角特厚煤層綜放開采頂煤冒放性的影響因素如圖1所示。

圖1 大傾角特厚煤層綜放開采頂煤冒放性的影響因素

如圖1所示的各項(xiàng)影響因素，根據(jù)綜放采場頂煤冒放性控制理論等相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果，綜采放頂煤冒放性模糊評定因素的隸屬函數(shù)如下[1-2]:

2.1 煤層強(qiáng)度

1) 煤層硬度。一般情況下，對緩傾斜煤層f=0.8～2.0時(shí),放頂煤效果較好。在大傾角煤層中，對軟煤性質(zhì)的頂煤冒放較為有利，當(dāng)f=0.3～1.0時(shí)，頂煤的冒放性最好。煤層硬度的評價(jià)函數(shù)為：

(1)

式中：p11為煤的硬度系數(shù)。

2) 煤層節(jié)理裂隙發(fā)育程度。為一項(xiàng)定性的影響因素，若煤層節(jié)理裂隙發(fā)育程度較高，則頂煤冒放性較好，反之亦然。通過如表1所列的分類情況對其分析評價(jià)。

2.2 開采深度

當(dāng)開采深度較大時(shí)，受礦壓作用頂煤尚未放出前已發(fā)生較大程度的變形破壞；相反地，當(dāng)其開采深度較小時(shí)，在工作面推采幾個(gè)月后礦壓顯現(xiàn)仍不顯著。開采深度的評價(jià)函數(shù)為：

(2)

式中：p2為工作面的開采深度，m。

2.3 煤層厚度

近水平、緩傾斜煤層綜放開采條件下，若煤層越厚，其頂煤的冒放性越好；但對于大傾角煤層綜放開采，若煤層厚度太小，則直接頂巖層和頂煤可能會出現(xiàn)超前破碎被一同放出，若煤層厚度太大，在礦壓作用下頂煤的充分松動效果不明顯，其冒放性也不理想。煤層厚度的評價(jià)函數(shù)為：

(3)

式中：p3為煤層厚度，m。

2.4 煤層傾角

通常情況下，煤層傾角越大，受重力的作用頂煤越易于變形垮落，然而此時(shí)頂板對于煤層的作用力也越小。煤層傾角的評價(jià)函數(shù)為：

(4)

式中：p4為煤層傾角，(°)。

2.5 煤層頂、底板條件

在大傾角煤層條件下，底板穩(wěn)定性對頂煤冒放性尤為顯著，在底板穩(wěn)定性較差時(shí)，易導(dǎo)致底板出現(xiàn)滑脫，將會造成頂煤難以垮落的情況。煤層頂、底板條件的類別劃分及評價(jià)值見表1。

2.6 煤層夾矸

通過目前綜放開采現(xiàn)場情況統(tǒng)計(jì)反映，在夾矸厚度≤0.3 m時(shí)，對頂煤的冒放性影響不大；在夾矸厚度>0.3 m時(shí)，易堵塞放煤通道。并且夾矸強(qiáng)度較大時(shí)，其放煤效果也就越差。煤層夾矸厚度、強(qiáng)度的評價(jià)函數(shù)分別為：

(5)

(6)

式中:p61為夾矸總厚度與煤層厚度的比值；p62為夾矸的抗壓強(qiáng)度，MPa。

2.7 其他定性影響因素

其他定性影響因素的類別劃分及評價(jià)值見表1。

表1 定性因素的類別劃分及評價(jià)值

3 灰色-模糊評價(jià)模型

應(yīng)用灰色決策方法中的灰色統(tǒng)計(jì)方法及模糊數(shù)學(xué)理論建立大傾角特厚煤層頂煤可放性評價(jià)模型。令V={V1，V2，V3，V4，V5}={好，較好，一般，較差，差}為評價(jià)灰類，根據(jù)綜放采場頂煤冒放性控制理論等相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果[3-4]，對應(yīng)V1～V5有圖2(a)～(e)表示的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。

圖2 評價(jià)集的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)

根據(jù)上述評價(jià)程序進(jìn)行分析評價(jià)，將大傾角特厚煤層綜放開采頂煤冒放性劃為5個(gè)評價(jià)類別：冒放性好的第Ⅰ類，在無強(qiáng)制放頂技術(shù)措施的前提下，頂煤能夠順利冒放；冒放性較好的第Ⅱ類，在采用松動爆破等技術(shù)措施的前提下，頂煤才能夠順利冒放；冒放性一般的第Ⅲ類，在采用煤層注水、放震動炮等技術(shù)措施的前提下，頂煤才能夠順利冒放；冒放性較差的第Ⅳ類和冒放性差的第V類，頂煤很難冒放，不適合采用綜放開采工藝[5]。

4 冒放性評價(jià)結(jié)果

以龐龐塔礦9-301工作面為例，主采9號煤層，平均埋深460 m，煤層厚度11.8 m，煤層傾角20°。工作面煤層頂板情況見表2。

表2 9-301工作面頂?shù)装迩闆r

根據(jù)煤巖物理力學(xué)測試成果與現(xiàn)場實(shí)際情況，頂煤冒放性計(jì)算與分析如下：

1) 煤層強(qiáng)度(p1)：9號煤層硬度p11=1.16，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到μ(p11)=4.68。

2) 開采深度：9-301工作面平均開采深度p2=460 m，根據(jù)公式(2)計(jì)算得到μ(p2)=4.5。

3) 煤層厚度，9-301工作面煤層平均煤厚p3=11.8 m，根據(jù)公式(3)計(jì)算得到μ(p3)=0。

4) 煤層傾角，取9號煤層平均傾角p4=20°，根據(jù)公式(4)計(jì)算得到μ(p4)=0。

5) 煤層頂、底板條件(p5)：中等發(fā)育，中等穩(wěn)定，低瓦斯，中等潮濕，易自燃，評價(jià)值μ(p5)=3.5。

6) 煤層夾矸：取夾矸厚度為0.24 m，根據(jù)公式(5)和公式(6)計(jì)算得到p61=0.24/11.8=0.02，μ(p61)=4.6，μ(p62)=5。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以計(jì)算得出：

μ(p11)在第一類評價(jià)的值：f1(r11)=0.936;第二類：f2(r11)=0.88；第三類：f3(r11)=0.43；第四類：f4(r11)=0；第五類：f5(r11)=0。

μ(p2)在第一類評價(jià)的值：f1(r2)=0.9；第二類：f2(r2)=0.875；第三類：f3(r2)=0.47；第四類：f4(r2)=0；第五類：f5(r2)=0。

μ(p3)在第一類評價(jià)的值：f1(r3)=0；第二類：f2(r3)=0；第三類：f3(r3)=0；第四類：f4(r3)=0；第五類：f5(r3)=0。

μ(p4)在第一類評價(jià)的值：f1(r4)=0；第二類：f2(r4)=0；第三類：f3(r4)=0；第四類：f4(r4)=0；第五類：f5(r4)=0。

μ(p5)在第一類評價(jià)的值：f1(r5)=0.7；第二類：f2(r5)=0.875；第三類：f3(r5)=0.87；第四類：f4(r5)=0.25；第五類：f5(r5)=0。

μ(p61)在第一類評價(jià)的值：f1(r61)=0.92；第二類：f2(r61)=0.8；第三類：f3(r61)=0.41；第四類：f4(r61)=0；第五類：f5(r61)=0。

μ(p62)在第一類評價(jià)的值：f1(r62)=1；第二類：f2(r62)=0.75；第三類：f3(r62)=0.5；第四類：f4(r62)=0；第五類：f5(r62)=0。

煤層塊段屬于第k類評價(jià)的灰色數(shù)：bk=Ck/C，則可以計(jì)算得到：b1=0.385，b2=0.361，b3=0.232，b4=0.02，b5=0。

綜合上述計(jì)算結(jié)果，bj=max{b1，b2，b3，b4，b5}，可得b1=0.385，所以該煤層塊段的頂煤可放性屬于第Ⅰ類。

5 結(jié) 語

本文通過灰色統(tǒng)計(jì)方法及模糊數(shù)學(xué)理論，針對龐龐塔礦9-301工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件，建立大傾角特厚煤層頂煤可放性評價(jià)模型，對頂煤冒放性的影響因素進(jìn)行綜合計(jì)算分析，得出主要結(jié)論如下：

1) 根據(jù)綜放采場頂煤冒放性控制理論等相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果，確定綜采放頂煤冒放性模糊評定中煤層強(qiáng)度、開采深度、煤層厚度、煤層傾角、煤層頂?shù)装鍡l件、煤層夾矸及其他定性影響因素的隸屬函數(shù)，并以此建立灰色-模糊評價(jià)模型。

2) 根據(jù)龐龐塔礦9-301工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件，代入灰色-模糊評價(jià)模型中可以得出9號煤層塊段的頂煤可放性屬于可放性好的第Ⅰ類，其頂煤一般不采取措施即可順利放出，但需要在現(xiàn)場生產(chǎn)中加強(qiáng)工作面支架等機(jī)電設(shè)備防倒滑管理。