放頂煤開采頂煤冒放性研究

陳利偉

(汾西礦業賀西煤礦，山西 柳林 033300)

引 言

相比大采高綜采，放頂煤綜采具有很多優勢，如，采出率高；對煤層厚度、頂底板適應性強；煤壁片幫強度低；工作面“三機”易于管理，設備安裝、維護容易；工作面搬家容易等[1-2]。因此，針對柳灣煤礦11#厚煤層產狀分布不均、底板泥巖遇水膨脹變軟的特征，柳灣煤礦決定采用綜采放頂煤法采煤。本文以61107綜放工作面為工程背景，開展了綜放工作面頂煤冒放性研究。

1 工程概況

柳灣煤礦11#煤為主采煤層，均厚4.35 m，煤層傾角2°～5°，平均3.5°，呈背向斜相間構造，其中，61107綜放工作面長度180 m，兩側平巷長1 544 m(至停采線位置),可采儲量1.439 Mt，采用綜采低位放頂煤法采煤，采高2.5 m。11#煤頂底板圍巖特性如表1所示。

表1 61107綜放工作面煤層頂底板圍巖特性表

2 頂煤冒放性影響因素

2.1 開采深度

總體而言，頂煤冒放性隨開采深度增加而加強。當開采深度<100 m時，頂煤冒放性差；當開采深度>300 m時，頂煤易于冒落，但開采深度對頂煤的冒放性影響程度逐漸減弱。根據柳灣煤礦地質勘探知，61107綜放工作面埋深195 m～267 m，平均240 m，因此，從開采深度看，頂煤易于冒落。

2.2 煤層厚度、硬度

據資料顯示，關于放頂煤開采煤層厚度其最大臨界值為12.5 m～15.0 m，當頂煤過厚時其上部難以充分松動，冒放性隨煤層厚度的增大而減弱[3]。

國內大量關于放頂煤開采的研究表明，煤層硬度是影響頂煤冒放性的關鍵因素。煤層較軟(f<1)時表現為冒落塊小，多為小于0.2 m～0.3 m，柱狀冒落，橢球體放出，可放性好；中硬煤層(13)表現為常見大于1 m冒落塊，拱橋冒落，拋物體式放出，冒放性差。通常，當煤的抗壓強度值大于20 MPa時，頂煤的破壞程度較低，其冒落性較差。

據柳灣煤礦11#煤層地質報告，該煤層均厚4.35 m，大都具有條帶結構，金屬光澤，次為金鋼光澤，硬度大，脆度小，煤的單軸抗壓強度為12.7 MPa，因此，頂煤冒放性較好。

2.3 煤層節理裂隙

煤層節理裂隙發育程度直接影響頂煤的冒放性。具有節理裂隙發育的煤層，頂煤在支承壓力的作用下易于破碎。當節理裂隙越發育，頂煤的冒放性就越好，越易于放出。

從61107工作面巷道掘進時揭露的煤體看，煤體內生節理和外生節理較發育，因此頂煤冒放性較好。

2.4 煤層夾矸

煤層中的夾矸，尤其是厚而堅硬的夾矸，將會嚴重影響頂煤的冒放性[4]。一方面，夾矸在頂煤中形成“骨架”，使頂煤不易垮落；另一方面，夾矸易形成大塊，影響頂煤冒放過程中的流動性，且易堵口使頂煤無法放出。

根據61107綜放工作面地質說明書，工作面內煤層賦存穩定可采，含夾矸3層，總厚0.02 m～0.20 m，結構一般較簡單，夾矸成份多為炭質泥巖或泥巖，抗壓強度僅為8.5 MPa，略小于煤體強度，對頂煤的冒放性影響很小。

2.5 煤層頂板

影響煤層冒放性的煤層頂板包括直接頂和老頂兩部分。直接頂能夠隨采隨冒，冒落的直接頂若能充滿采空區，將減小頂煤丟失在采空區的量，提高采出率。老頂對煤體的超前支承壓力使得煤體欲裂破碎，利于頂煤的冒放性[5]。

3 頂煤冒放性影響因素評價

3.1 頂煤冒放性影響因素評價

加權法綜合考慮煤層冒放性影響因素，各影響因素權重分配見表2。

表2 頂煤冒放性影響因素權重分配

1) 采深與煤層強度之比值影響評價

采深與強度之比H/Rc=240 m/12.7 MPa=18.9 m/MPa，依據表3可知，隸屬度u1=0.8。

表3 采深與煤層強度比值與隸屬度值

2) 直接頂巖性影響評價

該工作面直接頂初次來壓步距8.0 m，直接頂類別為Ⅰ類(不穩定)，根據表4可知，隸屬度u2=0.9。

表4 直接頂巖性與隸屬度值

3) 老頂影響評價

老頂初次來壓時的循環末阻力Pmo計算見式(1)。

Pmo=305.6+71.7M+1.67L0-25.3N

(1)

老頂來壓強度當量DH計算見式(2)。

DH=L0-15.2N+42.9M

(2)

式(1)、式(2)中：M為采高，m；L0為老頂初次垮落步距，取30 m；N為直接頂充填系數，N=直接頂厚度h1/采高m=1.93 m/2.5 m=0.77。

Pmo=125，依據表5可知，隸屬度u3=0.6。

表5 老頂級別與隸屬度值

4) 采放比影響評價

61107工作面采高2.5 m，放煤高度為1.85 m，采放比1∶0.74，工作面煤體強度f為1.27，根據表6可知，隸屬度u4=0.5。

表6 采放比與隸屬度值

5) 煤層節理裂隙間距影響評價

通過煤體力學性能試驗，得出煤體強度為12.7 MPa，根據表7可知，隸屬度u5=0.85。

表7 煤層節理裂隙間距與隸屬度值

6) 夾矸層厚度影響評價

61107工作面頂煤部分區域含一層泥巖夾矸，厚度為20 mm～200 mm，根據表8可知，隸屬度u6=1。

表8 夾矸層厚度與隸屬度值

7) 夾矸層強度影響評價

該工作面頂煤僅部分區域含一層薄泥巖夾矸，且夾矸強度為8.5 MPa，根據表9可知，隸屬度u7=1。

表9 夾矸層強度與冒放性隸屬度值

3.2 頂煤冒放性綜合評價

加權法綜合考慮煤層冒放性影響因素，則u為：

u=∑Aiui=0.23×0.8+0.12×0.9+0.1×
0.6+0.14×0.5+0.14×0.85+0.12×1.0+
0.15×1.0=0.811

表10為頂煤冒放性分類表，由表10可知，柳灣煤礦61107綜放工作面頂煤冒放性好。

表10 頂煤冒放性分類

4 結論

本文以柳灣煤礦61107綜放工作面為研究對象，采用加權法綜合考慮煤層開采深度、頂板巖性、采放比、煤層節理裂隙、夾矸厚度及強度，得出了頂煤冒放性好的結論，為該煤礦放頂煤開采提供了理論依據。