綜放工作面冒放性及放煤方式分析

張 超

(1.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024；2.潞安環能股份公司常村煤礦，山西 長治 046102)

0 引言

常村煤礦S5延伸采區位于+470 m水平南部，采區北側以曲莊保護煤柱與22采區相鄰；西鄰郭莊井田；南為井田邊界，緊鄰藕澤斷層；東臨+520 m水平S5、S6采區。采區南北走向長約3.3 km，東西傾斜寬2.0 km，采區面積約為6.29 km2。根據S5延伸采區的開采規劃，S5-13工作面位于S5延伸采區東部，井下位置東面為S5-13工作面，西部和北部均為實體煤，南部為S5延伸采區下山，該工作面煤層平均厚度為6.10 m，工作面割煤高度為3.4 m，放煤高度為2.7 m；采放比為1∶0.79。工作面周邊范圍內發育的地質構造有：DF28-15號斷層和DF28-16號斷層及陷落柱DX28-11、DX28-12、DX28-13、DX28-16、DX28-19和DX28-22。

S5-13工作面開采煤層為3#煤層，根據工作面鄰近鉆孔統計，3#煤層整體賦存為一單斜構造、東南高西北低，煤層傾角為0°～8°。3#煤層底板標高為+451.0～+483.0 m，埋深為471～490 m，位于山西組的中下部，煤層厚度較大，上距K8砂巖22.42～43.30 m，平均31.67 m，下距K7砂巖頂面2.70～18.85 m，平均12.98 m，煤層厚度0.50～7.33 m，平均厚度6.04 m，含夾矸0～3層，夾矸巖性多為炭質泥巖，少數為泥巖；煤層均為黑色，塊狀及粉狀，細、中條帶狀結構，層狀構造，灰黑色條痕，具玻璃光澤，呈現階梯狀或貝殼狀斷口。煤層頂板巖性為泥巖、粉砂質泥巖，其上為灰白色厚層中、粗粒砂巖，底板巖性為黑色粉砂巖、細粒砂巖。該煤層控制程度較高，為穩定型可采煤層。

1 影響冒放性的因素

綜放工作面的開采主要取決于煤炭回收率的高低，應用綜放技術開采煤層時首先要看煤層的冒放性[1-3]，而影響冒放性的主要因素有以下幾個方面。

1.1 頂煤節理裂隙的影響

頂煤節理裂隙的發育程度直接影響到頂煤的冒放性，節理裂隙較為發育的煤層，頂煤在支承壓力的作用下相對容易破碎，節理裂隙越發育，頂煤的冒放性就越好，就越容易放出。3#煤層從已揭露的巷道看，內生節理和外生節理都較為發育。因此頂煤冒放性較好。

1.2 頂板的影響

頂板包括直接頂和基本頂，直接頂對頂煤壓裂無直接影響，但直接頂能夠隨采隨冒，能充滿采空區，以防基本頂沖擊來壓，并促使頂煤放出。因此直接頂具有一定的厚度是放頂煤開采頂煤破碎冒落后順利放出的基本條件，否則不利于頂煤的回收。無論從礦壓角度還是從頂煤采出率考慮，直接頂的最小厚度應能充滿采出煤后形成的空間。另外，根據生產實踐經驗，在放頂煤開采過程中，有部分老頂隨直接頂一起冒落而充滿采出煤后形成的空間。S5-13工作面頂板的直接頂板以粉砂巖、泥巖為主，含植物化石，為半堅硬巖巖類。底板多為薄層泥巖或粉砂巖，以粉砂巖為主，灰黑色，厚層狀，為半堅硬巖巖類。能夠隨著工作面推進發生周期性垮落。

1.3 煤層厚度和硬度的影響

一般來說，頂煤過厚其上部很難充分松動，相關科研院所試驗結果證明頂煤冒放性隨煤層厚度的增大而減弱，放頂煤開采的最大臨界煤層厚度為12.5～15.0 m。同時，煤層強度是影響頂煤冒放性的關鍵因素。軟煤層為柱狀冒落，橢球體放出，頂煤垮落角88°，放出率83.9%；中硬煤層為半圓拱式冒落，橢柱體放出，頂煤垮落角67°，放出率73.1%；硬煤層為拱橋式冒落，拋物體放出，頂煤垮落角55°，放出率僅為13.4%。按照頂煤的強度與破壞關系的理論計算，當煤的強度值R3c>20 MPa時，頂煤的破壞程度降低，其冒落性漸差。目前，S5-13工作面煤層厚度平均為6.10 m，根據實際地質情況，3#3煤層均為黑色，塊狀及粉狀，細、中條帶狀結構，層狀構造，灰黑色條痕，具玻璃光澤，呈現階梯狀或貝殼狀斷口。結合已采的放頂煤工作面的實踐經驗，工作面頂煤冒放性較好。

1.4 開采深度的影響

當開采深度小于100 m時，頂煤冒放性較差；當開采深度大于300 m時，開采深度對頂煤的冒放性影響較小[4-6]。總之，冒放性隨開采深度增加而加強，開采深度大于300 m時，頂煤是易冒落的。本井田S5-13工作面埋深471～490 m左右，因此從開采深度看，頂煤易冒落。

1.5 煤層夾矸的影響

煤層中，若是頂煤中存在厚而堅硬的夾矸，將會嚴重影響頂煤的冒放性。主要有兩方面原因，一方面，夾矸在頂煤中形成“骨架”，使頂煤不易垮落；另一方面，即使頂煤垮落，夾矸形成大塊，影響頂煤冒放過程中的流動性，易堵口使頂煤無法放出。因此，特別是厚而堅硬的夾矸，對放頂煤開采很不利。S5-13工作面煤層含夾矸1層、平均厚度為0.3 m。一般綜放工作面要求夾矸厚度不大于0.3 m，主要是考慮其強度不能影響頂煤冒落。3#煤層中夾矸強度較小，不會影響頂煤冒放。

2 頂煤冒放性評價

2.1 隸屬度值選取

根據采場條件，對照表1～7，選取各影響因素對頂煤冒放性的隸屬度值。

表1 采深與煤層強度之比值與隸屬度值

表2 直接頂巖性與隸屬度值

采深與煤層強度之比值與隸屬度值：μ1=H/Rc經查表，μ1=0.85。

表3 老頂級別與隸屬度值

表4 采放比與隸屬度值

表5 煤層節理裂隙間距與隸屬度值

表6 夾矸層厚度與隸屬度值

表7 夾矸層強度與冒放性隸屬度值

直接頂巖性與隸屬度值：直接頂初次放頂步距為8～18 m，直接頂類別為Ⅱ類中等穩定頂板。經查表μ2=0.8。

老頂級別與隸屬度值：S5-13工作面內3#煤層老頂類別為Ⅳ級頂板。經查表，μ3=0.8。

采放比與隸屬度值：工作面采煤高度為3.4 m，放煤高度為2.7 m，采放比為1∶0.79，參考常村煤礦3#煤層強度，經查表，μ4=0.5。

煤層節理裂隙間距d與隸屬度值：根據常村煤礦3#煤層強度和裂隙間距，經查表，μ5=0.8。

夾矸層厚度與隸屬度值：本工作面3#煤層夾矸平均厚度0.30 m，經查表，μ6=0.5。

夾矸層強度與冒放性隸屬度值：本工作面3#煤層夾矸強度小于10 MPa，經查表，μ7=1.0。

2.2 冒放性確定

將各隸屬度帶入公式μ=∑Aiμi中計算出采場放頂煤整體冒放性的隸屬度，其中Ai表示各影響因素的權重，見表8。

表8 頂煤冒放性影響因素權重分配

μ=∑Aiui=0.23×0.85+0.12×0.8

+0.1×0.8+0.14×0.5+0.14×0.8

+0.12×0.5+0.15×1.0=0.76

表9 頂煤冒放性類

根據計算出的采場頂煤冒放性隸屬度值，查表9確定冒放性。經查表，頂煤冒放性一般，適宜采取放頂煤開采。

3 放頂煤方式的確定

常見放頂煤方式有單輪順序放煤、多輪順序放煤、單輪間隔放煤、多輪間隔放煤[7]。

3.1 單輪順序放煤

從第三組支架(第一、二組支架為端頭支架)開始放煤，一直放到放煤口見矸后關閉放煤口，再放第四組、第五組支架，直到最后一組支架放完煤為一輪。操作簡單，容易掌握，放煤速度較快。但放煤時容易引起混矸，頂煤損失較大。

3.2 多輪順序放煤

從機頭第三組支架開始放煤，放出頂煤的1/3，再放第四組、第五組支架，就這樣一組接一組地放下去，直到最后一組支架放完頂煤的1/3為一輪，然后再重復上述過程2次，直到將頂煤放完為止，再進行下一個循環。減少了煤中混矸，在一定程度上提高了頂煤的回收率。缺點是每組支架放3輪，速度慢，操作上難以掌握。

3.3 單輪間隔放煤

從機頭第三組支架開始放煤，一直放到放煤口見矸后關閉放煤口，再放第五組、第七組支架，就這樣每間隔一組放下去，單數支架放完后，再按上述方法放雙數支架，直到最后一組支架放完煤為一輪。優點是減少混矸，提高采出率，增加放煤點，減少放煤時間；缺點在于架前礦山壓力大，容易造成片幫冒頂事故。

3.4 多輪間隔放煤

從機頭第三組支架開始放煤，一次放出頂煤的1/3，再放第五組、第七組支架，就這樣每隔一組放下去，單數支架放完后，再按上述方法放雙數支架，直到最后一組支架放完頂煤的1/3為一輪，然后再重復上述過程2次，直到將頂煤放完為止，再進行下一個循環。放煤時減少了混矸，可提高采出率，架前壓力小，煤壁較穩定。但每組支架放3輪，工藝復雜，速度慢，操作上難以掌握。

根據對S5-13工作面頂煤冒放性的分析，并結合礦井的生產實踐經驗和管理水平，確定S5-13工作面放煤方式為多輪順序放煤。

4 結語

通過對常村煤礦S5-13工作面煤層情況及冒放性的分析研究，對頂煤冒放性進行了綜合評價。選擇了合理的放煤方式，提高了煤炭的冒放性和采出率，并有效預防了頂板事故的發生。