磁窯溝礦10 號煤層綜放開采的適應性研究

鄔培菊，宋選民，祁景生，段春生

（1.山西晉神能源有限公司，山西 河曲 36500；2.太原理工大學 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

晉神能源公司實行大規模高強度開采的發展戰略，造成可用資源急劇減少，出現接替資源緊張苗頭。對于總厚度13～14m的10號煤層而言，丟煤較多，嚴重影響礦區服務年限和經濟效益。在其后續開發中，如何提高煤炭資源回收率、防治采空區自燃發火及瓦斯災害問題，顯得非常重要。為此，要對10號煤層試驗綜放開采，以提高回收率。其中關鍵問題為：煤層賦存條件是否適宜綜放開采方法，如何實現綜放采場的圍巖安全控制并構建良好的放煤環境[1]。第一個問題是評價開采深度、煤層強度、裂隙發育程度、夾矸層巖性厚度、層位與強度、頂板巖層結構及強度與垮落環境等因素綜合適應放頂煤開采的冒放條件[2,3]。第二個問題是要合理選擇支架架型和工作阻力等參數，實現對放頂煤采場頂板的安全控制，并要選定合適的采放比、放煤機構與相關參數，達到良好的放煤效果[4]。本文主要探討頂煤冒放性的適應性問題。

1 磁窯溝礦10號煤層賦存條件

1）10號煤層開采深度。10號煤層埋藏深度125.2～172.38m，平均開采深度150.21m。采布局平面圖中，HZK5-1和ZK23鉆孔距離10203綜放工作面較近，此兩個鉆孔揭示的開采深度平均為148.13 m，與4個鉆孔埋藏深度的均值基本一致。

2）10號煤層厚度。10號煤層總厚度12.20～16.70m，平均14.73m。純煤層厚度9.93～13.34m，平均11.69m。

3）10號煤層夾矸厚度、層位、巖性強度。夾矸總厚度2.00～3.94m，平均2.87m。夾矸層最大厚度0.64～1.43 m，平均1.15 m。對頂煤冒放性有影響的夾矸層數1～3層，平均2.25層。夾矸層的單軸抗壓強度36.07MPa，單軸抗拉強度1.46 MPa。從其夾矸層數、層位和厚度、巖性強度來看，均存在大于0.5 m的泥巖夾矸，層位一般在頂煤中上部，故對頂煤冒放性影響較大。

4）10號煤層強度。10號煤層10-1分層單軸抗壓強度均值9.966 MPa，如表1所示，10-2分層單軸抗壓強度均值9.865 MPa，如表2所示，上分層抗壓強度略大，但相差無幾，平均強度9.9155MPa。實測10-1分層彈性模量E=1 500 MPa，泊松比μ=0.18；10-2分層彈性模量E=823.7 MPa，泊松比μ=0.16。據此，磁窯溝礦綜放開采頂煤單軸抗壓強度為9.966 MPa，普氏系數f≈1.0，屬于軟煤層，從此角度而言，非常適宜采用放頂煤開采。

表1 10-1 煤層抗壓強度試驗結果

表2 10-2 煤層單軸抗壓強度試驗結果

5）10號煤層頂底板巖性與結構條件。10號煤層局部有偽頂，巖性碳質泥巖，厚度最大0.5m，平均0.2m，具垂直裂隙。直接頂為厚5.57m的粗、中、細、粉粒砂巖互層，多為石英、長石，膠結性較好，抗壓強度平均36.07MPa。基本頂（老頂）為平均厚9.62 m粗、中粒砂巖，呈灰白色，主要成份石英、長石，再往上局部見9號煤層，抗壓強度平均52.83MPa。10號煤層底板為均厚6.66m的泥巖，呈灰黑色，層狀，固結性較好。再往下為11號煤層，平均厚度3.85m，底板抗壓強度應為18.2MPa。

2 10號煤層綜放開采適應性的預測評價

2.1 10 號煤層適應放頂煤開采的臨界深度預測評價

10號煤層全厚整層綜放開采條件下，10號煤層平均總厚14.73 m，煤層高7.86～8.91 m，即頂煤上部（底層采高3.8 m）約4.06～5.11 m位置存在一層平均厚1.25 m的泥巖夾矸層，此時不同強度的分層以及夾矸能否在綜放開采的前方支承壓力作用下壓裂破碎并放出，就成為綜放可否成功采用的關鍵所在。太原理工大學綜放開采研究中，提出采用綜放開采的臨界開采深度[1,2]為：

式中：K 為綜放工作面前方的支承壓力集中系數；Rc為煤層單軸抗壓強度，MPa；φ 為煤體內摩擦角，（°）；γ為上覆巖層的平均容重，N/m3；λ 為側壓系數，并且λ=μ/(1-μ)，μ 為煤體的泊松比。若取頂板巖石容重γ 為0.026 N/m3，內摩擦角φ 為200°，煤體泊松比μ 為0.18，則側壓系數λ 為0.22，整層綜放開采支承壓力集中系數K 為3.5，上部煤層單軸抗壓強度Rc為9.966 MPa，則算得臨界深度為：

當不考慮煤層裂隙等因素的影響時，適應綜放開采的臨界深度為120.31 m。依據礦方提供的10號煤層柱狀，10號煤層最大開采深度H=172.38 m，最小深度125.2 m，平均深度150 m，符合實際開采深度大于等于臨界開采深度的條件，即H=150 m≥Hlj=120.31 m.因此，磁窯溝礦10號煤層在整層綜放條件下，依此臨界開采深度的判斷準則，實現14.73 m厚煤層安全高效的綜放開采是可行的。

2.2 10 號煤層綜放頂煤冒放性的模糊理論預測

頂煤冒放性分類的模糊理論預測中，選取開采深度H、煤體抗壓強度Rc、夾石層厚度Mj、煤層厚度M、裂隙指標ND、采空區充滿系數K 六個因素，進行頂煤冒放性分類。在此，H=172.38m，Rc=9.966MPa，Mj=1.14m，M=14.73 m，ND=2.528，直接頂充滿系數K=9.37/14.73=0.64，按照其預測理論模型[1，2]的模糊關系矩陣R 為：

通過研究，影響頂煤冒放性的各因素權重為：

按照模糊線性加權變換方法，模糊評價向量B 為：

進行評價向量歸一化后，得標準模糊評價向量為：

因評價向量是模糊的，為使評價過程簡便可行、易于理解，頂煤冒放性難易程度采用類別的百分制分數表示，即類別評分向量為：

在此，100分對應I類頂煤冒放性極好的條件，80分對應II類頂煤冒放性好的條件，60分對應III類頂煤冒放性中等的條件，40分對應IV類頂煤冒放性較差的條件，20分對應V類頂煤冒放性極差的條件。

整層綜放開采頂煤冒放性的綜合評價得分為：

代入相應數據，可得：

依照頂煤冒放性綜合評價的得分分類標準[1,2]：I類，頂煤冒放性好，S>80；II類，頂煤冒放性較好，S=65～80；III類，頂煤冒放性中等，S=50～65；IV類，頂煤冒放性較差，S=40～50；V類，頂煤冒放性極差，S<40。依據磁窯溝礦10號煤層整層綜放開采的實際條件，綜合評價得分為64.21，正好落在50～65分的III類區間，故其為頂煤冒放性中等的類型。按照頂煤冒放性的模糊數學分類理論預測，應為冒放性中等的類型，當夾矸層變薄時（低于0.3～0.5 m），冒放性變為較好的II類類型，故磁窯溝礦10號煤層進行整層綜放開采是可行的。

2.3 采用頂煤冒放性破壞系數方法的分類預測

按照頂煤冒放性的破壞系數分類方法[1，2]，其回歸預測公式為：

式中：Rc為煤層單軸抗壓強度，MPa；H 為開采深度，m；C 為裂隙折減系數；Mj和Md分別為夾矸層厚度和頂煤厚度，m。依次分類預測的判據，如表3所示。

表3 頂煤冒放性破壞系數分類[1,2]

10號煤層夾矸層平均厚度Mj=1.15 m，若取底層機采高度3.8 m，則Md=10.93 m，由磁窯溝礦首采綜放工作面的實測數據，煤體的裂隙分維D1=1.264，算出裂隙折減系數C=0.15，將其帶入式（3）可得：

Y=0.704+0.0006338×172.38-0.00786×9.966+0.238×0.15-0.1797×1.15+0.01434×10.93.

位于III類區域，（Y=0.7～0.79），屬于頂煤冒放性中等的III類類型，比較適合綜放開采工藝，且能大幅度回收特厚煤層資源，減少資源損失。提高頂煤冒放性的措施為設法軟化頂煤內夾矸、降低其強度、增加放出率，主要有高壓注水軟化技術和采前預爆破弱化頂煤、夾矸層的輔助處理技術。

3 10號煤綜放開采頂煤冒放性研究結論

1）整層綜放開采，預測計算的臨界深度120.31 m。10號煤層開采深度172.38 m，平均150 m，符合實際開采深度大于臨界開采深度的條件。依此臨界開采深度的判斷準則，磁窯溝礦10號煤整層綜放開采科學可行。

2）依10號煤層實際條件，頂煤冒放性的模糊數學分類理論預測綜合評價為頂煤冒放性中等類別。若夾矸層厚度變薄小于0.3～0.5 m，頂煤冒放性將會轉為較好的II類類別。

3）頂煤破壞系數0.720 7，位于III類區域，屬于頂煤冒放性中等的III類類型，適宜綜放開采。

4）10號煤層整層綜放開采，頂煤冒放性介于II類和III類之間，即介于冒放性較好和冒放性中等之間，一般情況下為III類冒放性中等，當夾矸變薄時可以轉化為II類冒放性較好情形。

5）依據10號煤層條件，借鑒中國多年綜放開采經驗，認為10號煤層整層綜放開采頂煤冒放性仍應屬于III類冒放性中等的類型，采用綜放開采是適宜的，可取得很好的經濟效益。

[1]宋選民.綜放采場頂煤冒放性控制理論及其應用[M].北京：煤炭工業出版社，2002.

[2]靳鐘銘.放頂煤開采理論與技術[M].北京：煤炭工業出版社，2001.

[3]王家臣.我國綜放開采技術及其深層次發展問題的探討[J].煤炭科學技術，2005，33(1):14-17.

[4]毛德兵,姚建國.大采高綜放開采適應性研究[J].煤炭學報，2010，35(11)：1837-1840.

[5]柴肇云.20m特厚煤層綜放開采基礎研究[D].太原：太原理工大學，2005:60-65.