浅埋中硬煤层综放开采顶煤冒放性论证
时间：2023-06-08 15:50:14 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
岳 炜，李建永
(1.山西科技学院， 山西 晋城 048000；
2.山西晋城煤业集团 勘察设计院有限公司， 山西 晋城 048000)
综采放顶煤是目前我国开采厚煤层的主要方法。判断煤层能否使用放顶煤开采，需要对顶煤的冒放性进行合理评价。大量学者在顶煤冒放性论证方面进行了研究并取得成果，范世民、胡学军[1]建立了模糊聚类分析方法的数学模型，对潞安矿区顶煤冒放性进行了运算分类,经潞安矿区综放开采实践证实, 分类合理。杜明启等[2]采用多指标综合隶属函数对5+6号煤层合并开采的顶煤冒放性进行了评价，其评价模型只针对煤层地质因素，未考虑采放比等开采技术的影响。狄满洲[3]采用超声波法对综放工作面顶煤冒放性进行了预测，并通过布置运移跟踪仪等技术手段监测了顶煤的回采效果，缺乏对顶煤破碎机理及影响因素的研究。陈中华等[4]基于实验室实验，对含厚夹矸顶煤破碎机理进行了力学分析，重点分析了夹矸的层位、厚度、岩性及强度对顶煤冒放性的影响，但未分析其他影响因素。本文以晋普山煤矿331工作面为工程背景，现场取芯进行煤岩物理力学参数测试，分别运用破坏系数分类法和模糊综合评价法对顶煤的冒放性进行论证，相互印证使结果更为可靠。
晋普山煤矿位于山西省晋城市西南约10 km，井田面积28.266 3 km2，生产规模1.3 Mt/a，高瓦斯矿井，批准开采3—15号煤层。3号煤层原采用分层开采，目前已接近尾声，为了缓解采掘接替压力，提高回采效率，拟设计在331工作面采用放顶煤采煤法开采。
331工作面是3号煤层布置的最后一个正规工作面，该工作面位于山西组中下部，层位稳定，工作面范围内煤层厚度为4.35～5.2 m，设计采高2.8 m，顶煤厚度1.55～2.4 m. 工作面地表为丘陵地带，标高+830～900 m，平均埋深150 m.煤层直接顶为泥岩、砂质泥岩和中细粒砂岩，厚4～6 m，煤层回采后短期内不冒落；
基本顶为中砂岩，厚度大于3 m，多在开采10～15 m后开始冒落，属中等冒落性顶板。煤层节理、层理不发育，结构简单，稳定可采，含0～3层夹矸，夹矸厚度为0.07～0.25 m，夹矸岩性为炭质泥岩或泥岩。煤层自燃等级为Ⅲ级，不易自燃，煤尘无爆炸危险性。
为研究晋普山煤矿331工作面煤层与顶板物理力学特征，为顶煤冒放性论证提供可靠的煤岩物理力学参数，进行了现场采样和物理力学参数测试工作。
2.1 煤的坚固性系数测定
煤的坚固性系数是指煤块抵抗外力破坏能力的综合性强度指标，根据GB/T 23561《煤和岩石物理力学性质测定方法》[5]，对331工作面的煤样进行了坚固性系数测定。首先进行煤样制作，将煤块制成块度为20～30 mm的小块，以50 g为1份，每5份为1组，共3组称取煤样，煤样经过捣碎、筛分、冲击、计量等步骤后，坚固性系数按下式[5]计算：
(1)
式中，f为坚固性系数；
n为冲击次数；
L为煤粉筛分后计量筒内的高度，mm.
测定结果见表1，煤样的坚固性系数在1.58～1.82，平均值1.72，属于中硬煤。
表1 煤的坚固性系数测定记录表
2.2 顶板岩石物理力学参数测试
直接顶泥岩和基本顶砂岩的物理力学参数测试按照GB/T 23561[5]规定进行，结果见表2.
表2 顶板岩石物理力学参数表
3.1 煤层埋深
331工作面的平均埋深为150 m，从开采深度来看，支承压力作用较小，对顶煤破碎效果有限。因此，从煤层埋深来看，331工作面顶煤冒放性较差，但在矿山压力与支架共同作用下，可以采用放顶煤开采，需辅助其它增强顶煤冒放性的技术措施，才能达到较好的经济技术效益。
3.2 煤体强度
331工作面煤层的普氏系数为1.58～1.82，平均1.72，属于中硬煤，顶煤的冒落块直径在0.4～1.3 m，垮落角为65°～85°，顶煤的放出率一般不超过60%，冒落的过程通常为整体大块向采空区移动，导致直径较大的煤块到达放煤口，易形成拱桥结构堵住放煤口。由于液压支架尾梁和插板的破碎作用有限，只能通过移架的方式对其结构进行破坏，会导致大量的顶煤遗留在采空区，降低了采出率。因此，从煤体强度来看，顶煤冒放性中等，顶煤放出流动性较差，需加强支架的二次破碎功能。
3.3 煤层厚度
国内外综放工作面的实测资料和实验结果表明，随着开采煤层厚度的增大，其顶煤冒放性相对减弱，顶煤厚度介于2～10 m较为合理，加上底层采高2.5～3.0 m，采用放顶煤开采的煤层最小临界厚度应为4.5～5.0 m[6]. 331工作面煤层厚度为4.35～5.2 m，设计采高2.8 m，顶煤厚度1.55～2.4 m，平均1.98 m. 煤层厚度接近放顶煤开采最小临界厚度，考虑到该矿目前的生产设备和经济条件，可进行放顶煤开采试验。
3.4 煤层夹矸
根据现场生产经验，夹矸层厚度在0.3 m以下时一般以片状或板状的形式掉落，对顶煤的冒放性影响不大。根据地质报告，该矿3号煤层含夹矸0～3层，厚度为0.07～0.25 m，夹矸岩性为泥岩或炭质泥岩。经测试，泥岩取样的抗压强度为17.97 MPa.
夹矸的厚度对煤质和回采过程的影响情况可分为3类：1) 薄夹矸层，0～0.2 m. 2) 中厚夹矸层，0.21～0.4 m. 3) 厚夹矸层，0.4 m以上。根据以上分析，3号煤层夹矸层属于薄夹矸层～中厚夹矸层之间，因此，从煤层夹矸层厚度和强度来看，该矿的夹矸层厚度薄，且强度较低，因此，对顶煤冒放性影响很小，利于放顶煤开采。
3.5 煤层裂隙发育程度
根据地质报告，该矿3号煤层节理、层理不发育，但在331工作面取芯过程中发现，巷道高度以外的顶煤层理和节理较发育，无法获得高度超过100 mm的煤芯，大都破碎成尺寸为50 mm左右的碎块。另外，现场调研得知3号煤层其它工作面回采时，煤层片帮和漏顶现象时有发生，有利于顶煤的冒放。
3.6 顶板岩层的垮落情况
直接顶对煤体压裂的影响不大，但其垮落后充填采空区的情况会影响顶煤的冒放结构，从而影响顶煤的放出。因此，从采动矿压控制和增加顶煤回收率方面考虑，都要求直接顶垮落后能够最大程度地充满采空区。
3号煤层顶板多为泥岩及砂质泥岩，炭质泥岩伪顶0～1.1 m，随煤层开采冒落，直接顶为泥岩、砂质泥岩和中细粒砂岩。根据钻孔取芯结果并结合3号煤层实际的采掘情况，331工作面直接顶实际厚4～6 m，平均4.5 m. 煤层平均厚度取4.78 m，碎胀系数1.35，则(4.78/1.35)=3.54<4.5，即331工作面直接顶在垮落后可以充分地填满采空区。
4.1 顶煤冒放性的破坏系数分类法评价
在参阅相关文献，以及对大量综采放顶煤工作面数据分析总结的基础上[6-8]，通过正交有限元的方法，研究了各地质条件对顶煤冒放性的影响规律，得出破坏系数综合指标值Y和各影响因素的数学关系为：
Y=0.704+0.000 633 8H-0.007 86Rc+
0.238C-0.179 7Mj+0.014 34Md
(2)
式中，H为煤层埋深，取150 m；
Rc为煤体抗压强度，取17.2 MPa；
C为裂隙发育而影响的强度折减系数，取0.5；
Mj为夹矸厚度，取0.25 m；
Md为顶煤厚度，1.55～2.4 m，取平均值1.98 m.
经计算，Y≈0.77，根据表3可知，该煤层属于冒放性中等的Ⅲ类，顶煤放出率为50%～64%.
表3 顶煤冒放性分类表
4.2 顶煤冒放性的模糊综合评价
本文评价顶煤冒放性主要考虑以下因素：煤层埋深、煤体抗压强度、直接顶岩性、基本顶岩性、采放比、煤层节理裂隙的发育程度、夹矸层的厚度与强度。运用模糊数学的原理与方法[8]，以各因素的权重与隶属度的加权平均计算，建立综合评价模型：
μ=∑Aiμi
(3)
式中，μ为顶煤冒放性的模糊评价值；
Ai为各影响因素的权重；
μi为各因素对顶煤冒放性隶属度。
依据《采矿工程设计手册》[9]，采用层次分析法，确定各影响因素的权重：煤层埋深与强度之比为0.23，直接顶类别为0.12，基本顶类别为0.10，采放比为0.14，煤层节理裂隙间距为0.14 mm，夹矸厚度为0.12 mm，夹矸强度为0.15 MPa.
根据晋普山煤矿331工作面的地质参数，确定各因素的隶属度，见表4. 经计算，得出顶煤冒放性的模糊评价值为0.63，由表3可知，属于冒放性差的Ⅳ类，顶煤放出率为30%～49%.
表4 工作面地质参数与隶属度计算表
综合破坏系数分类法和模糊综合评价法，得出331工作面的顶煤冒放性类别为Ⅳ～Ⅲ类冒放性差～中等。
1) 基于现场取芯煤岩物理力学参数测试，评价了331工作面的实际地质情况对顶煤冒放性的影响，并对其顶煤冒放性进行了论证，认为属于IV～Ⅲ类冒放性差～中等的煤层。若采用放顶煤开采，在选择合理放顶煤支架、采取合理放煤工艺参数的基础上，必须制定增加顶煤破碎性的专项措施，才能提高冒放性，取得较好的技术经济指标。
2) 为改善顶煤的冒放性，可采取以下措施：回采前对工作面顶板进行初采爆破切顶，减小顶板的初次来压步距；
预注水压裂和软化煤层及顶板，减小裂隙间的内聚力和内摩擦角，从而降低煤层和顶板的强度[10]；
预爆破弱化顶板煤岩，减小煤岩块度，提高顶煤的冒放性和采出率。
