綜放工作面淺埋深特厚煤層頂煤冒放效果分析

段春生

（山西省晉神能源有限公司，山西 沂州 036500）

1 概 況

磁窯溝煤礦井田內(nèi)13號煤層厚度2.91～19.2 m，平均厚度11.5 m，該煤層在東部與北部存在分層現(xiàn)象。分成區(qū)域內(nèi)13號煤層上距13-1煤層0.85～9.06 m，平均距離為1.56 m，分層區(qū)域內(nèi)13號煤層平均厚度為10.9 m。13號煤層位于太原組下部，單軸平均抗壓強度為18.4 MPa，單軸平均抗拉強度為1.03 MPa，屬于中硬煤層。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖，底板為泥巖，并含有少量砂質(zhì)泥巖。該礦為低瓦斯礦井，煤塵具有一定爆炸危險性。

2 工作面頂煤冒放性分析

2.1 煤體強度影響分析

根據(jù)文獻(xiàn)，煤體單軸抗壓強度R c與頂煤冒放程度呈反比，頂煤垮落角α與R c呈反比，因此，可知頂煤垮落角與頂煤冒放效果呈正比關(guān)系，即頂煤垮落角越大，工作面放煤效果越好。磁窯溝煤礦13號煤層普氏硬度系數(shù)為1.8，該煤層對應(yīng)的頂煤垮落角為75°。13號煤層厚度平均值11.6 m，采高4 m，經(jīng)計算α＞64.2°即可滿足頂煤垮落技術(shù)要求，13號煤層α=75°＞64.2°，因此，磁窯溝13號煤層如采用綜放開采，工作面頂煤冒落情況較好，滿足頂煤回收要求。

2.2 煤層埋深影響分析

13號煤層頂煤單元體受力的3個主應(yīng)力分別為：

隨著煤層深度H增加，各主應(yīng)力都隨之增大，其中以垂直方向主應(yīng)力增大最為明顯，使頂煤受壓顯著增加，引起頂煤內(nèi)部產(chǎn)生裂隙并擴(kuò)展至相互貫通，煤層抗剪強度降低，最終冒落?；夭蛇^程中σ2保持定值，因此，單元體受力模型可簡化成平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析，依據(jù)理論公式可得：

頂煤若滿足冒落要求，應(yīng)滿足式（3）。將（1）式代入可得：

式中：γ為巖層平均重度，t/m3。

將γ與泊松比μ的關(guān)系代入，13號煤層的泊松比μ=0.34，可得：

K值取3.5，重度γ取2.5 t/m3，代入可得：

煤層埋深與冒放效果呈正比。13號煤層Rc取18.4 MPa，計算埋深應(yīng)大于263 m，才能保證冒落效果。依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料，13號煤層埋深26～289 m，部分區(qū)域埋深小于263 m，頂煤受到的壓力未能滿足冒放要求，破碎不充分，放煤效果差。

2.3 煤層夾矸影響

根據(jù)磁窯溝煤礦地質(zhì)調(diào)查報告以及鉆孔鉆探結(jié)果可知[5-6]，13號煤層含有多層夾矸，主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，單層夾矸厚度在0.1～0.7 m，總夾矸厚度為1.9 m。夾矸由于與煤層形成弱面，增加了巖石破碎的程度，對于頂煤冒落具有促進(jìn)作用。根據(jù)文獻(xiàn)，夾矸厚度大于1.5 m的煤層，頂煤滯后于大塊矸石冒落到工作面采空區(qū)中，無法利用后部刮板輸送機進(jìn)行回收。13號煤層單層夾矸厚度均小于1 m，滿足頂煤回收的要求，可以直接利用后部刮板運輸機進(jìn)行運輸回收。

2.4 頂板巖性影響

在工作面進(jìn)行綜放回采過程中，需要求直接頂及時垮落，進(jìn)而填充工作面采空區(qū)，根據(jù)文獻(xiàn)及實踐經(jīng)驗，工作面直接頂最大厚度計算：

式中：Σhmin為最大直接頂厚度，m；M為煤層厚度，m；Kp為膨脹系數(shù)，一般取1.35。

13號煤層平均厚度為11.5 m，代入可得直接頂最大厚度為8.6 m。根據(jù)地質(zhì)條件，13號直接頂厚度在5 m以下，可隨工作面的推進(jìn)及時冒落，不影響頂煤回收。

2.5 采放比影響

采放比是影響頂煤放煤效果的重要因素之一，為使工作面頂煤充分冒落，需滿足下式：

式中：ks為松散系數(shù)；M為采高，m；mf為放煤高度，m；h′為支架放煤口高度，m。將13號煤層工作面參數(shù)代入公式（8）得采放高度比，見下式：

計算可知，最小采放比為0.38，放煤高度應(yīng)在10.53 m以下。13號煤層放煤高度為7.5 m，滿足冒落高度要求，因此，頂煤可以充分冒落。

3 冒放性數(shù)值模擬分析

采用FLAC3D軟件對13號煤層工作面頂煤冒落情況進(jìn)行分析，模型尺寸依據(jù)13號煤層工作面實際尺寸，建立模型尺寸為500 m×500 m×100 m，模型如圖1所示。煤層頂、底板巖層厚分別為64 m、20 m，煤層平均厚度11.5 m。未能模擬的上部覆巖采用恒荷載代替，取4.9 MPa。巖層節(jié)理面采用INTERFACE板塊設(shè)置，支架采用BEAM單元，支護(hù)強度設(shè)為1.3 MPa。

圖1 1 3號煤層數(shù)值模擬模型Fig.1 Numerical simulation model of No.13 coal seam

3.1 頂煤破壞分析

隨著回采工作面的推進(jìn)，頂煤的破壞過程如圖2所示。可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)10 m時，頂煤整體破壞達(dá)3 m，其中剪切破壞的高度為0.5 m；工作面繼續(xù)推進(jìn)至30 m時，剪切破壞的程度急劇增加，頂煤剪切破壞至4.5 m，波及范圍進(jìn)一步加大；工作面推進(jìn)至50 m時，頂煤完全剪切破壞，頂板開始破壞至0.5 m；當(dāng)工作面開采至70 m以上，煤層破壞高度平均達(dá)8.6 m，超過頂煤厚度。

圖2 1 3號煤層頂板破壞演變示意Fig.2 Evolution of roof failure of No.13 coal seam

3.2 應(yīng)力分布規(guī)律

煤層圍巖垂直應(yīng)力分布如圖3所示。由圖3可知，在工作面推進(jìn)至10、30、50 m時，應(yīng)力峰值位于煤壁前方3 m處，分別達(dá)12.49、12.92、12.34 MPa，但沒有出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，工作面前50 m回采期間，由于頂煤破壞程度較小，頂煤冒落效果不佳。當(dāng)工作面推進(jìn)至70 m時，頂煤應(yīng)力集中現(xiàn)象開始逐漸明顯，頂煤冒落效果逐步改善，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力峰值位置不變，但由于頂煤被完全破壞，冒放效果較好。因此，在工作面推進(jìn)距離小于50 m時，冒落效果不佳，需對頂煤采取弱化措施，保證頂煤冒放效果。

圖3 1 3號煤層應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of No.13 coal seam

4 結(jié) 論

（1）通過對煤層巖性及理論計算分析可知，13號煤層頂煤達(dá)到理想冒落效果需滿足頂煤垮落角大于64.2°，埋深大于155 m，夾矸厚度小于1 m，采放比高于0.38。

（2）通過對13號煤層回采過程的頂煤破壞過程數(shù)值模擬可知，工作面初期回采期間，由于頂煤破壞程度較小，頂煤冒落效果不佳。在工作面回采50 m以內(nèi)，需要人工進(jìn)行弱化處理。當(dāng)工作面推進(jìn)至70 m時，頂煤應(yīng)力集中現(xiàn)象開始明顯，頂煤冒落效果逐步改善，冒放效果較好。