錦程煤礦10#煤層綜放工作面頂煤冒放性分析

吳雪峰

（山西臨汾宏大錦程煤業(yè)，山西 臨汾 041000）

1 工程概況

霍州煤電臨汾宏大公司錦程煤礦位于山西省臨汾市堯都區(qū)平垣鄉(xiāng)段家凹村，主采的10#煤層位于太原組下段，煤層厚度為3.8～4.6 m，平均為4.2 m。10#煤層走向240°，傾向328°，煤層傾角0°～16°。煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示，煤層上方依次為0.00～0.25 m的灰質(zhì)泥巖及3.09～10.05 m的K2石灰?guī)r，煤層下方依次為0.30～0.60 m的泥巖及2.37～4.44 m的砂質(zhì)泥巖。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

由于10#煤層厚度較大，綜合考慮煤礦現(xiàn)有采煤設(shè)備，擬采用放頂煤采煤方法進(jìn)行回采，因此，需對頂煤冒放性進(jìn)行分析與探討。

2 頂煤冒放性影響分析

影響頂煤冒放性的因素很多，主要影響因素一般選取煤層賦存深度、煤層厚度及強(qiáng)度、裂隙發(fā)育情況、夾矸層賦存狀態(tài)、頂板巖層等[1-5]。

1）煤層賦存深度。工作面回采過程中，頂煤在前方支承壓力的作用下，被壓裂破碎，因此前方支承壓力越大，越有利于頂煤破碎，即頂煤冒放性越好。從煤層賦存深度來看，煤層埋深越大，所受上覆巖層荷載越大，即越有利于頂煤冒放?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，煤層賦存深度為400 m是煤層可放頂煤開采的臨界值，埋深過小，工作面回采后，頂煤所受壓力較小，破碎不充分，頂煤冒放性較差。錦程煤礦10#煤層（以下簡稱10#煤層）平均賦存深度為445 m，符合放頂煤煤層對賦存深度的要求。

2）煤層厚度及強(qiáng)度。煤層厚度太大，采放比過大，頂煤冒放性越差，按照《煤礦安全規(guī)程》要求，放頂煤開采時(shí)，采放比嚴(yán)禁超過1:3。10#煤層平均厚度為4.2 m，按采高1.5～2.5 m考慮，符合煤礦安全規(guī)程對采放比的要求。煤層強(qiáng)度越大，頂煤越難破碎，其冒放性越差，反之煤層強(qiáng)度越小，頂煤越容易破碎，冒放性越好。10#煤層硬度f=2.0～2.5，屬中硬煤層，單從煤層強(qiáng)度考慮，頂煤硬度不大，較容易破碎，可以采用放頂煤工藝進(jìn)行開采。

3）裂隙發(fā)育。裂隙發(fā)育程度越高，煤層越破碎，頂煤冒放性越好，反之，則不利于頂煤冒放。10#煤層孔隙率為21%～23%，裂隙發(fā)育適中，頂煤冒放性較好。

4）夾矸層賦存狀態(tài)。夾矸層的厚度及所在位置都會(huì)影響頂煤的冒放性，夾矸層厚度越大，頂煤冒放性越差，夾矸層所在位置越低，越不利于頂煤的冒放。10#煤層含夾矸2-3層，厚度很小，且以泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，巖性較軟，基本不會(huì)對頂煤冒放性產(chǎn)生太大影響。

5）頂板巖層。頂板巖層垮落后能充滿采空區(qū)，則有利于頂煤冒放，反之，頂板巖層垮落高度不足，則不利于頂煤冒放。10#煤層上方頂板巖層為0.00～0.25 m的灰質(zhì)泥巖及3.09～10.05 m的K2石灰?guī)r，灰質(zhì)泥巖厚度較小，不足以充滿采空區(qū)，K2石灰?guī)r厚度大，但是硬度也較大，不易垮落，因此可能會(huì)對頂煤冒放產(chǎn)生一定的影響。

綜上所述，除頂板巖層可能會(huì)影響頂煤冒放性以外，其他因素都有利于頂煤冒放，整體看，10#煤層可以滿足放頂煤開采的條件。

3 頂煤冒放性模擬分析

以10#煤層為工程背景進(jìn)行模擬，煤層頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)如表1所示。根據(jù)該礦現(xiàn)有采煤機(jī)及液壓支架等設(shè)備，采高設(shè)計(jì)為2.4 m，放煤高度1.8 m，采放比1:0.75。借助UDEC數(shù)值模擬軟件，模擬工作面回采過程中頂煤及頂板巖層變化情況如圖1所示，采場受力情況如圖2所示，頂煤冒落情況如圖3所示。

圖1 頂煤及頂板巖層變化情況

圖2 采場應(yīng)力分布

圖3 頂煤冒落情況

如圖1，當(dāng)工作面回采10 m時(shí)，采場上覆頂板巖層已經(jīng)開始破斷、變形，并開始?jí)毫秧斆?，部分煤體已經(jīng)處于冒放狀態(tài)。當(dāng)工作面回采20 m時(shí)，在頂板巖層破斷、變形的作用下，工作面前方14～18 m范圍內(nèi)大量煤體處于破碎狀態(tài)，冒放性良好。

工作面回采過程中，工作面前方煤壁及頂板巖層出現(xiàn)應(yīng)力集中，在垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力的綜合作用下，將頂煤壓裂、破碎，處于良好的冒放狀態(tài)，如圖2所示。

如圖3（a）所示，工作面回采10 m時(shí)，頂煤裂隙發(fā)育充分，裂隙尺寸可達(dá)3～5 m，在頂板巖層的擠壓作用下，頂煤被壓裂、破碎，冒放性良好。隨著工作面的推進(jìn)，頂煤中裂隙繼續(xù)發(fā)育；如圖3（b）所示，當(dāng)工作面回采至20 m時(shí)，裂隙尺寸可達(dá)6～8 m，在頂板巖層擠壓作用下，頂煤進(jìn)一步壓裂、破碎，具有良好的冒放性。

圖3中所產(chǎn)生的采動(dòng)裂隙既有垂直裂隙，又有水平裂隙，呈不均勻分布狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場采煤經(jīng)驗(yàn)，這樣的裂隙容易將頂煤切碎，破碎后的頂煤很難鉸接形成拱結(jié)構(gòu)，所以頂煤冒放性較好。從數(shù)值模擬顯示的結(jié)果可知，10#煤層頂煤冒放性良好。

4 工業(yè)試驗(yàn)

選擇在錦程煤礦10-205工作面進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，采用放頂煤工藝進(jìn)行回采，工作面主要設(shè)備如表2所示，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表3所示。

表2 10-205工作面主要設(shè)備

表3 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，10-205工作面頂煤冒放性良好；現(xiàn)場監(jiān)測頂煤回收率高達(dá)89%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)語

錦程煤礦10#主采煤層厚度較厚，如采用一次采全高進(jìn)行回采，礦上原有的綜采設(shè)備不適用，需重新采購綜采設(shè)備，投入較大。為此，提出采用放頂煤開采工藝進(jìn)行回采。通過分析煤層賦存深度、煤層厚度及強(qiáng)度、裂隙發(fā)育情況、夾矸層賦存狀態(tài)、頂板巖層等因素，認(rèn)為10#煤層頂煤冒放性較好；采用數(shù)值模擬等理論方法，結(jié)果顯示，10#煤層的頂煤冒放特性良好。選擇在10-205工作面進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，工程實(shí)踐也驗(yàn)證10#煤層頂煤冒放性良好，其頂煤回收率高達(dá)89%，達(dá)到了預(yù)期效果。