王洼二礦215021工作面頂煤可放性研究及應用

王彥林

（寧夏王洼煤業有限公司，寧夏 固原 756504）

王洼二礦215021工作面頂煤可放性研究及應用

王彥林

（寧夏王洼煤業有限公司，寧夏 固原 756504）

王洼二礦以往采用的厚煤層分層綜采工藝，存在巷道掘進率高、支護難度大、維護量大等問題，制約了企業經濟效益的提高和礦井規模的擴大。為了探索采煤工藝變革的可行性，筆者選擇該礦215021工作面為試驗工作面，開展煤層的可放性研究。通過對該工作面主采的5煤物理特性指標的實驗研究，筆者確定了高韌性煤層的物理力學性質，然后運用多種方法對煤層的可放性進行綜合評價，并通過工程實踐，確立了王洼二礦5煤綜放開采工藝的可行性，經濟效益顯著。

高韌性；厚煤層；可放性

綜放開采技術自1982年引入我國以來，獲得了巨大的發展，取得了舉世矚目的成績。人們在煤與瓦斯突出煤層、煤與頂板堅硬煤層、大傾角煤層、“三軟”煤層均成功地進行了綜放開采技術試驗研究與推廣應用。寧夏地區是我國重要的產煤區，但是部分煤層存在高韌性的特點，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采工藝的應用。近年來，一些學者所針對寧東煤田高韌性厚煤層的可放性開展了大量研究，通過采取頂煤弱化等措施，成功實現了綜放開采。但是，人們對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南部，隸屬于中鋁寧夏能源集團有限公司。礦井以往采用的厚煤層分層綜采工藝,存在巷道掘進率高、支護難度大、維護量大、開采成本高、生產能力受限等問題，制約了企業經濟效益提高和礦井規模擴大。為了探索采煤工藝變革的可行性，本文以該礦215021工作面為試驗工作面，開展煤層的可放性研究[1]。

215021工作面位于礦井21采區南翼第一個區段，主采的5煤平均厚度10 m左右，頂板以泥巖為主，偽頂較發育，屬易冒落的二類有周期來壓頂板。底板以泥巖、粉砂巖為主，抗水、抗風化和抗凍能力差，易軟化，屬極軟弱類底板。

2 煤體物理力學性質

2.1 5煤物理力學參數測試

為了詳細掌握王洼二礦5煤物理力學參數，采用微機控制RLJW-2000型巖石伺服壓力試驗機對底板以上3.5 m、6.5 m和8.5 m三個層位煤體進行物理力學指標測試。測試結果如表1所示。

表1 5煤物理性質測試結果

2.2 5煤韌性分析

根據原煤炭科學研究總院對大同礦區忻州窯礦、銅川礦區下石節礦、彬長礦區下溝礦、平朔礦區安家嶺礦、靈武礦區磁窯堡二礦等多個綜放開采不易冒落煤層工作面統計分析，筆者構建了影響煤的韌性的指標體系，它們分別為彈性模量、單軸抗壓強度、拉壓比、破壞前的變形量和孔隙率，可以用這五個指標來定義煤的韌性[2]。高韌性煤的定義指標如下：壓拉比＜16，彈性模量/GPa＜2，單軸抗壓強度＞15，軸向破壞應變＞0.015，孔隙率＞12。

通過分析可知，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、單軸抗壓強度、軸向破壞應變、孔隙率15個自然狀態的指標中滿足高韌性煤參考指標的僅有5個。底板以上3.5 m層位的5個指標中，滿足高韌性煤的指標有2個，分別為彈性模量和單軸抗壓強度，另外軸向破壞應變介于高韌性煤臨界點。底板以上6.5 m層位5個指標中，滿足高韌性煤指標僅有1個，即彈性模量，另外軸向破壞應變介于高韌性煤臨界點。底板以上8.5 m層位5個指標中，滿足高韌性煤指標有2個，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，由于頂煤彈性模量、拉壓比較小，頂煤破壞前變形量大，導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 頂煤冒放性綜合評價

本文采用理論分析、指標評價分析、實驗分析等方法，對王洼二礦5煤冒放性進行了綜合評價。

3.1 理論分析

根據我國多年生產實踐，影響頂煤冒放性的因素主要有開采深度、煤層厚度與強度、煤層結構、夾矸層數及其硬度和厚度、煤層頂底板巖性及其厚度、煤與巖體裂隙發育程度等。

3.1.1 煤層賦存深度

在煤體強度（Rc）一定時，若其他影響因素參數不變，要使頂煤煤體在支承壓力作用下完全破壞，根據生產實踐經驗，賦存深度（H）應滿足下式：

按底板以上6.5 m和8.5 m層位5煤層平均單軸抗壓強度Rc=13.07～13.68 MPa計算，放頂煤開采要求埋深為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 煤層力學性質

煤體物理力學測試結果表明，王洼二礦5煤抗壓強度不大，彈性模量較大，有一定韌性。頂煤破斷過程中變形量較大，容易形成大塊，對頂煤的冒放性有一定的影響。

3.1.3 節理裂隙

節理裂隙發育的煤層，煤體的完整性較差，整體強度下降，頂煤在支承壓力作用下易于破碎。同時，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煤節理裂隙發育，主要為垂直節理，有利于放頂煤冒放。

3.1.4 夾矸

開采實踐證明，煤層中夾矸（單層）厚度不宜超過0.30 m，總厚度不宜超過0.8 m，其硬度f系數不應大于3，頂煤中夾矸層厚度占煤層厚度的比例也不宜超過10%～15%，否則，應采取預破碎措施。王洼二礦5煤結構簡單，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泥巖，硬度較小，煤層夾矸對放頂煤開采影響不大。

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煤物理力學性質方面于對冒放性產生了一定的不利因素，但埋深、頂板、夾矸、節理裂隙等方面有利于頂煤冒放。

3.2 評價分析

根據頂煤冒放性評價模型，冒放性評價參數主要有以下九項。

3.2.1 采深與煤層抗壓強度

5煤埋深H＝370 m，平均抗壓強度Rc＝16.12 MPa。

H/Rc＝22.95。參照采深與煤層強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，抗壓強度大，抗變形能力強，穩定性好，屬有周期來壓強烈頂板，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煤普氏系數小于2.5，按采高3 m計算，則采放比為1:2.56，其隸屬度值μ4取0.8。

3.2.5 煤層節理

5煤內外生裂隙發育，地質報告中未給出節理裂隙間距值，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 夾矸層強度

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

3.2.8 冒放性權重分配

頂煤冒放性影響因素權重分配如表2所示。

表2 頂煤冒放性影響因素權重表

3.2.9 冒放性評價

由表可計算出μ＝∑Aiμi=0.801 5。

頂煤冒放性分類如表3所示。

表3 頂煤冒放性分類表

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 實驗分析

采用相似模擬實驗的方法從技術上對王洼二礦5煤的冒放性進行研究。主要設備有相似材料模擬實驗臺、Bw箔式微型壓力傳感器、DH3815N靜態應力測試系統。

未采取頂煤弱化及切眼斷頂措施時的模擬結果：模擬工作面推進過程中，頂煤及直接頂不能及時夸落，繼續推進后垮落塊度較大，頂煤的回收率較低。

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

4 現場應用

鑒于王洼二礦5煤存在一定韌性，對頂煤的冒放性影響存在不確定因素。因此，在215021工作面開采試驗過程中，對試驗方案和采煤工藝參數進行不斷的調整，并對頂煤冒放情況和回收率進行對比分析[4]。

結果表明，當采高為3.5 m時，采用兩采一放，并在采取卸錨索、錨桿、金屬網等措施情況下，能夠取得較為理想的頂煤冒放效果，偶爾會出現大塊煤情況，工作面回收率可達80%以上。在僅考慮掘進費用、回采電費、回采設備折舊費、回采材料消耗、回采人工費及搬家費用的情況下，工作面噸煤成本降低了36.4元，經濟效益顯著。

5 結論

（1）王洼二礦5煤韌性對頂煤冒放性存在一定影響，通過對頂煤冒放性的綜合評價，筆者認為在采取必要措施的前提下，它具備采用綜采放頂煤開采技術的條件。

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

（3）今后的開采試驗中，可采取頂煤弱化等措施，進一步提高工作面回收率。

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

2 王家臣.厚煤層開采理論與技術[M].北京：冶金工業出版社，2009.

3 徐 剛.改善綜放開采高韌性頂煤冒放性技術研究[D].北京：煤炭科學研究總院，2004.

4 靳鐘銘.放頂煤開采理論與技術[M].北京：煤炭工業出版社，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 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500(2017)08-0106-04

2017-07-11

王彥林（1962-），男，寧夏隆德人，高級采礦工程師，研究方向：煤礦開采。