大傾角特厚煤層綜放開采頂煤冒放性評價

李春光

(山西壽陽潞陽瑞龍煤業有限公司，山西 壽陽 045400)

通過綜放開采工藝可以大大提高礦井生產能力，實現安全高效生產，頂煤的冒放性是影響綜放工作面生產效率的重要因素。若綜放工作面頂煤冒放性差，會造成采煤機截割之后，頂煤難以垮落，影響煤炭資源的回收率，必須采取強制放頂煤的技術措施。而各煤礦綜放開采實際工程地質條件千差萬別，因此必須根據其工程地質條件的情況，對影響頂煤冒放性因素進行綜合分析，進而對頂煤的冒放性進行綜合評價。

1 礦井及工作面基本情況

龐龐塔煤礦地處山西省臨縣縣城以東，井田南北長20 km、東西寬3 km，面積60.731 km2，保有儲量約12億t，產能1 000萬t/a。9-301工作面位于三采區，工作面走向長1 327 m，傾斜長247 m，北側與采區暗斜井相鄰，其南側與井田邊界相鄰，西側與已回采的9-101工作面相鄰，東側煤炭資源未開采，部分地段上覆5號煤層5-108、5-101采空區。蓋山厚度為320～500 m，平均埋深460 m。9號煤層厚度10.8～12.4 m，平均11.8 m；傾角4～30°，平均20°。機采高度、放煤高度分別為3.2 m、8.6 m，采用一采一放的方式，割煤步距0.8 m。

2 影響頂煤冒放性的因素及其評價函數

大傾角特厚煤層綜放開采頂煤冒放性的影響因素如圖1所示。

圖1 大傾角特厚煤層綜放開采頂煤冒放性的影響因素

如圖1所示的各項影響因素，根據綜放采場頂煤冒放性控制理論等相關文獻的研究成果，綜采放頂煤冒放性模糊評定因素的隸屬函數如下[1-2]:

2.1 煤層強度

1) 煤層硬度。一般情況下，對緩傾斜煤層f=0.8～2.0時,放頂煤效果較好。在大傾角煤層中，對軟煤性質的頂煤冒放較為有利，當f=0.3～1.0時，頂煤的冒放性最好。煤層硬度的評價函數為：

(1)

式中：p11為煤的硬度系數。

2) 煤層節理裂隙發育程度。為一項定性的影響因素，若煤層節理裂隙發育程度較高，則頂煤冒放性較好，反之亦然。通過如表1所列的分類情況對其分析評價。

2.2 開采深度

當開采深度較大時，受礦壓作用頂煤尚未放出前已發生較大程度的變形破壞；相反地，當其開采深度較小時，在工作面推采幾個月后礦壓顯現仍不顯著。開采深度的評價函數為：

(2)

式中：p2為工作面的開采深度，m。

2.3 煤層厚度

近水平、緩傾斜煤層綜放開采條件下，若煤層越厚，其頂煤的冒放性越好；但對于大傾角煤層綜放開采，若煤層厚度太小，則直接頂巖層和頂煤可能會出現超前破碎被一同放出，若煤層厚度太大，在礦壓作用下頂煤的充分松動效果不明顯，其冒放性也不理想。煤層厚度的評價函數為：

(3)

式中：p3為煤層厚度，m。

2.4 煤層傾角

通常情況下，煤層傾角越大，受重力的作用頂煤越易于變形垮落，然而此時頂板對于煤層的作用力也越小。煤層傾角的評價函數為：

(4)

式中：p4為煤層傾角，(°)。

2.5 煤層頂、底板條件

在大傾角煤層條件下，底板穩定性對頂煤冒放性尤為顯著，在底板穩定性較差時，易導致底板出現滑脫，將會造成頂煤難以垮落的情況。煤層頂、底板條件的類別劃分及評價值見表1。

2.6 煤層夾矸

通過目前綜放開采現場情況統計反映，在夾矸厚度≤0.3 m時，對頂煤的冒放性影響不大；在夾矸厚度>0.3 m時，易堵塞放煤通道。并且夾矸強度較大時，其放煤效果也就越差。煤層夾矸厚度、強度的評價函數分別為：

(5)

(6)

式中:p61為夾矸總厚度與煤層厚度的比值；p62為夾矸的抗壓強度，MPa。

2.7 其他定性影響因素

其他定性影響因素的類別劃分及評價值見表1。

表1 定性因素的類別劃分及評價值

3 灰色-模糊評價模型

應用灰色決策方法中的灰色統計方法及模糊數學理論建立大傾角特厚煤層頂煤可放性評價模型。令V={V1，V2，V3，V4，V5}={好，較好，一般，較差，差}為評價灰類，根據綜放采場頂煤冒放性控制理論等相關文獻的研究成果[3-4]，對應V1～V5有圖2(a)～(e)表示的標準函數。

圖2 評價集的標準函數

根據上述評價程序進行分析評價，將大傾角特厚煤層綜放開采頂煤冒放性劃為5個評價類別：冒放性好的第Ⅰ類，在無強制放頂技術措施的前提下，頂煤能夠順利冒放；冒放性較好的第Ⅱ類，在采用松動爆破等技術措施的前提下，頂煤才能夠順利冒放；冒放性一般的第Ⅲ類，在采用煤層注水、放震動炮等技術措施的前提下，頂煤才能夠順利冒放；冒放性較差的第Ⅳ類和冒放性差的第V類，頂煤很難冒放，不適合采用綜放開采工藝[5]。

4 冒放性評價結果

以龐龐塔礦9-301工作面為例，主采9號煤層，平均埋深460 m，煤層厚度11.8 m，煤層傾角20°。工作面煤層頂板情況見表2。

表2 9-301工作面頂底板情況

根據煤巖物理力學測試成果與現場實際情況，頂煤冒放性計算與分析如下：

1) 煤層強度(p1)：9號煤層硬度p11=1.16，根據公式(1)計算得到μ(p11)=4.68。

2) 開采深度：9-301工作面平均開采深度p2=460 m，根據公式(2)計算得到μ(p2)=4.5。

3) 煤層厚度，9-301工作面煤層平均煤厚p3=11.8 m，根據公式(3)計算得到μ(p3)=0。

4) 煤層傾角，取9號煤層平均傾角p4=20°，根據公式(4)計算得到μ(p4)=0。

5) 煤層頂、底板條件(p5)：中等發育，中等穩定，低瓦斯，中等潮濕，易自燃，評價值μ(p5)=3.5。

6) 煤層夾矸：取夾矸厚度為0.24 m，根據公式(5)和公式(6)計算得到p61=0.24/11.8=0.02，μ(p61)=4.6，μ(p62)=5。

根據上述計算結果可以計算得出：

μ(p11)在第一類評價的值：f1(r11)=0.936;第二類：f2(r11)=0.88；第三類：f3(r11)=0.43；第四類：f4(r11)=0；第五類：f5(r11)=0。

μ(p2)在第一類評價的值：f1(r2)=0.9；第二類：f2(r2)=0.875；第三類：f3(r2)=0.47；第四類：f4(r2)=0；第五類：f5(r2)=0。

μ(p3)在第一類評價的值：f1(r3)=0；第二類：f2(r3)=0；第三類：f3(r3)=0；第四類：f4(r3)=0；第五類：f5(r3)=0。

μ(p4)在第一類評價的值：f1(r4)=0；第二類：f2(r4)=0；第三類：f3(r4)=0；第四類：f4(r4)=0；第五類：f5(r4)=0。

μ(p5)在第一類評價的值：f1(r5)=0.7；第二類：f2(r5)=0.875；第三類：f3(r5)=0.87；第四類：f4(r5)=0.25；第五類：f5(r5)=0。

μ(p61)在第一類評價的值：f1(r61)=0.92；第二類：f2(r61)=0.8；第三類：f3(r61)=0.41；第四類：f4(r61)=0；第五類：f5(r61)=0。

μ(p62)在第一類評價的值：f1(r62)=1；第二類：f2(r62)=0.75；第三類：f3(r62)=0.5；第四類：f4(r62)=0；第五類：f5(r62)=0。

煤層塊段屬于第k類評價的灰色數：bk=Ck/C，則可以計算得到：b1=0.385，b2=0.361，b3=0.232，b4=0.02，b5=0。

綜合上述計算結果，bj=max{b1，b2，b3，b4，b5}，可得b1=0.385，所以該煤層塊段的頂煤可放性屬于第Ⅰ類。

5 結 語

本文通過灰色統計方法及模糊數學理論，針對龐龐塔礦9-301工作面實際工程地質條件，建立大傾角特厚煤層頂煤可放性評價模型，對頂煤冒放性的影響因素進行綜合計算分析，得出主要結論如下：

1) 根據綜放采場頂煤冒放性控制理論等相關文獻的研究成果，確定綜采放頂煤冒放性模糊評定中煤層強度、開采深度、煤層厚度、煤層傾角、煤層頂底板條件、煤層夾矸及其他定性影響因素的隸屬函數，并以此建立灰色-模糊評價模型。

2) 根據龐龐塔礦9-301工作面實際工程地質條件，代入灰色-模糊評價模型中可以得出9號煤層塊段的頂煤可放性屬于可放性好的第Ⅰ類，其頂煤一般不采取措施即可順利放出，但需要在現場生產中加強工作面支架等機電設備防倒滑管理。