鄔培菊，宋選民，祁景生，段春生

（1.山西晉神能源有限公司，山西 河曲 36500；2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，山西 太原 030024）

晉神能源公司實(shí)行大規(guī)模高強(qiáng)度開(kāi)采的發(fā)展戰(zhàn)略，造成可用資源急劇減少，出現(xiàn)接替資源緊張苗頭。對(duì)于總厚度13～14m的10號(hào)煤層而言，丟煤較多，嚴(yán)重影響礦區(qū)服務(wù)年限和經(jīng)濟(jì)效益。在其后續(xù)開(kāi)發(fā)中，如何提高煤炭資源回收率、防治采空區(qū)自燃發(fā)火及瓦斯災(zāi)害問(wèn)題，顯得非常重要。為此，要對(duì)10號(hào)煤層試驗(yàn)綜放開(kāi)采，以提高回收率。其中關(guān)鍵問(wèn)題為：煤層賦存條件是否適宜綜放開(kāi)采方法，如何實(shí)現(xiàn)綜放采場(chǎng)的圍巖安全控制并構(gòu)建良好的放煤環(huán)境[1]。第一個(gè)問(wèn)題是評(píng)價(jià)開(kāi)采深度、煤層強(qiáng)度、裂隙發(fā)育程度、夾矸層巖性厚度、層位與強(qiáng)度、頂板巖層結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度與垮落環(huán)境等因素綜合適應(yīng)放頂煤開(kāi)采的冒放條件[2,3]。第二個(gè)問(wèn)題是要合理選擇支架架型和工作阻力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)放頂煤采場(chǎng)頂板的安全控制，并要選定合適的采放比、放煤機(jī)構(gòu)與相關(guān)參數(shù)，達(dá)到良好的放煤效果[4]。本文主要探討頂煤冒放性的適應(yīng)性問(wèn)題。

1 磁窯溝礦10號(hào)煤層賦存條件

1）10號(hào)煤層開(kāi)采深度。10號(hào)煤層埋藏深度125.2～172.38m，平均開(kāi)采深度150.21m。采布局平面圖中，HZK5-1和ZK23鉆孔距離10203綜放工作面較近，此兩個(gè)鉆孔揭示的開(kāi)采深度平均為148.13 m，與4個(gè)鉆孔埋藏深度的均值基本一致。

2）10號(hào)煤層厚度。10號(hào)煤層總厚度12.20～16.70m，平均14.73m。純煤層厚度9.93～13.34m，平均11.69m。

3）10號(hào)煤層夾矸厚度、層位、巖性強(qiáng)度。夾矸總厚度2.00～3.94m，平均2.87m。夾矸層最大厚度0.64～1.43 m，平均1.15 m。對(duì)頂煤冒放性有影響的夾矸層數(shù)1～3層，平均2.25層。夾矸層的單軸抗壓強(qiáng)度36.07MPa，單軸抗拉強(qiáng)度1.46 MPa。從其夾矸層數(shù)、層位和厚度、巖性強(qiáng)度來(lái)看，均存在大于0.5 m的泥巖夾矸，層位一般在頂煤中上部，故對(duì)頂煤冒放性影響較大。

4）10號(hào)煤層強(qiáng)度。10號(hào)煤層10-1分層單軸抗壓強(qiáng)度均值9.966 MPa，如表1所示，10-2分層單軸抗壓強(qiáng)度均值9.865 MPa，如表2所示，上分層抗壓強(qiáng)度略大，但相差無(wú)幾，平均強(qiáng)度9.9155MPa。實(shí)測(cè)10-1分層彈性模量E=1 500 MPa，泊松比μ=0.18；10-2分層彈性模量E=823.7 MPa，泊松比μ=0.16。據(jù)此，磁窯溝礦綜放開(kāi)采頂煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度為9.966 MPa，普氏系數(shù)f≈1.0，屬于軟煤層，從此角度而言，非常適宜采用放頂煤開(kāi)采。

表1 10-1 煤層抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表2 10-2 煤層單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

5）10號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性與結(jié)構(gòu)條件。10號(hào)煤層局部有偽頂，巖性碳質(zhì)泥巖，厚度最大0.5m，平均0.2m，具垂直裂隙。直接頂為厚5.57m的粗、中、細(xì)、粉粒砂巖互層，多為石英、長(zhǎng)石，膠結(jié)性較好，抗壓強(qiáng)度平均36.07MPa?；卷敚ɡ享敚槠骄?.62 m粗、中粒砂巖，呈灰白色，主要成份石英、長(zhǎng)石，再往上局部見(jiàn)9號(hào)煤層，抗壓強(qiáng)度平均52.83MPa。10號(hào)煤層底板為均厚6.66m的泥巖，呈灰黑色，層狀，固結(jié)性較好。再往下為11號(hào)煤層，平均厚度3.85m，底板抗壓強(qiáng)度應(yīng)為18.2MPa。

2 10號(hào)煤層綜放開(kāi)采適應(yīng)性的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

2.1 10 號(hào)煤層適應(yīng)放頂煤開(kāi)采的臨界深度預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

10號(hào)煤層全厚整層綜放開(kāi)采條件下，10號(hào)煤層平均總厚14.73 m，煤層高7.86～8.91 m，即頂煤上部（底層采高3.8 m）約4.06～5.11 m位置存在一層平均厚1.25 m的泥巖夾矸層，此時(shí)不同強(qiáng)度的分層以及夾矸能否在綜放開(kāi)采的前方支承壓力作用下壓裂破碎并放出，就成為綜放可否成功采用的關(guān)鍵所在。太原理工大學(xué)綜放開(kāi)采研究中，提出采用綜放開(kāi)采的臨界開(kāi)采深度[1,2]為：

式中：K 為綜放工作面前方的支承壓力集中系數(shù)；Rc為煤層單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；φ 為煤體內(nèi)摩擦角，（°）；γ為上覆巖層的平均容重，N/m3；λ 為側(cè)壓系數(shù)，并且λ=μ/(1-μ)，μ 為煤體的泊松比。若取頂板巖石容重γ 為0.026 N/m3，內(nèi)摩擦角φ 為200°，煤體泊松比μ 為0.18，則側(cè)壓系數(shù)λ 為0.22，整層綜放開(kāi)采支承壓力集中系數(shù)K 為3.5，上部煤層單軸抗壓強(qiáng)度Rc為9.966 MPa，則算得臨界深度為：

當(dāng)不考慮煤層裂隙等因素的影響時(shí)，適應(yīng)綜放開(kāi)采的臨界深度為120.31 m。依據(jù)礦方提供的10號(hào)煤層柱狀，10號(hào)煤層最大開(kāi)采深度H=172.38 m，最小深度125.2 m，平均深度150 m，符合實(shí)際開(kāi)采深度大于等于臨界開(kāi)采深度的條件，即H=150 m≥Hlj=120.31 m.因此，磁窯溝礦10號(hào)煤層在整層綜放條件下，依此臨界開(kāi)采深度的判斷準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)14.73 m厚煤層安全高效的綜放開(kāi)采是可行的。

2.2 10 號(hào)煤層綜放頂煤冒放性的模糊理論預(yù)測(cè)

頂煤冒放性分類(lèi)的模糊理論預(yù)測(cè)中，選取開(kāi)采深度H、煤體抗壓強(qiáng)度Rc、夾石層厚度Mj、煤層厚度M、裂隙指標(biāo)ND、采空區(qū)充滿(mǎn)系數(shù)K 六個(gè)因素，進(jìn)行頂煤冒放性分類(lèi)。在此，H=172.38m，Rc=9.966MPa，Mj=1.14m，M=14.73 m，ND=2.528，直接頂充滿(mǎn)系數(shù)K=9.37/14.73=0.64，按照其預(yù)測(cè)理論模型[1，2]的模糊關(guān)系矩陣R 為：

通過(guò)研究，影響頂煤冒放性的各因素權(quán)重為：

按照模糊線性加權(quán)變換方法，模糊評(píng)價(jià)向量B 為：

進(jìn)行評(píng)價(jià)向量歸一化后，得標(biāo)準(zhǔn)模糊評(píng)價(jià)向量為：

因評(píng)價(jià)向量是模糊的，為使評(píng)價(jià)過(guò)程簡(jiǎn)便可行、易于理解，頂煤冒放性難易程度采用類(lèi)別的百分制分?jǐn)?shù)表示，即類(lèi)別評(píng)分向量為：

在此，100分對(duì)應(yīng)I類(lèi)頂煤冒放性極好的條件，80分對(duì)應(yīng)II類(lèi)頂煤冒放性好的條件，60分對(duì)應(yīng)III類(lèi)頂煤冒放性中等的條件，40分對(duì)應(yīng)IV類(lèi)頂煤冒放性較差的條件，20分對(duì)應(yīng)V類(lèi)頂煤冒放性極差的條件。

整層綜放開(kāi)采頂煤冒放性的綜合評(píng)價(jià)得分為：

代入相應(yīng)數(shù)據(jù)，可得：

依照頂煤冒放性綜合評(píng)價(jià)的得分分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[1,2]：I類(lèi)，頂煤冒放性好，S>80；II類(lèi)，頂煤冒放性較好，S=65～80；III類(lèi)，頂煤冒放性中等，S=50～65；IV類(lèi)，頂煤冒放性較差，S=40～50；V類(lèi)，頂煤冒放性極差，S<40。依據(jù)磁窯溝礦10號(hào)煤層整層綜放開(kāi)采的實(shí)際條件，綜合評(píng)價(jià)得分為64.21，正好落在50～65分的III類(lèi)區(qū)間，故其為頂煤冒放性中等的類(lèi)型。按照頂煤冒放性的模糊數(shù)學(xué)分類(lèi)理論預(yù)測(cè)，應(yīng)為冒放性中等的類(lèi)型，當(dāng)夾矸層變薄時(shí)（低于0.3～0.5 m），冒放性變?yōu)檩^好的II類(lèi)類(lèi)型，故磁窯溝礦10號(hào)煤層進(jìn)行整層綜放開(kāi)采是可行的。

2.3 采用頂煤冒放性破壞系數(shù)方法的分類(lèi)預(yù)測(cè)

按照頂煤冒放性的破壞系數(shù)分類(lèi)方法[1，2]，其回歸預(yù)測(cè)公式為：

式中：Rc為煤層單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；H 為開(kāi)采深度，m；C 為裂隙折減系數(shù)；Mj和Md分別為夾矸層厚度和頂煤厚度，m。依次分類(lèi)預(yù)測(cè)的判據(jù)，如表3所示。

表3 頂煤冒放性破壞系數(shù)分類(lèi)[1,2]

10號(hào)煤層夾矸層平均厚度Mj=1.15 m，若取底層機(jī)采高度3.8 m，則Md=10.93 m，由磁窯溝礦首采綜放工作面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，煤體的裂隙分維D1=1.264，算出裂隙折減系數(shù)C=0.15，將其帶入式（3）可得：

Y=0.704+0.0006338×172.38-0.00786×9.966+0.238×0.15-0.1797×1.15+0.01434×10.93.

位于III類(lèi)區(qū)域，（Y=0.7～0.79），屬于頂煤冒放性中等的III類(lèi)類(lèi)型，比較適合綜放開(kāi)采工藝，且能大幅度回收特厚煤層資源，減少資源損失。提高頂煤冒放性的措施為設(shè)法軟化頂煤內(nèi)夾矸、降低其強(qiáng)度、增加放出率，主要有高壓注水軟化技術(shù)和采前預(yù)爆破弱化頂煤、夾矸層的輔助處理技術(shù)。

3 10號(hào)煤綜放開(kāi)采頂煤冒放性研究結(jié)論

1）整層綜放開(kāi)采，預(yù)測(cè)計(jì)算的臨界深度120.31 m。10號(hào)煤層開(kāi)采深度172.38 m，平均150 m，符合實(shí)際開(kāi)采深度大于臨界開(kāi)采深度的條件。依此臨界開(kāi)采深度的判斷準(zhǔn)則，磁窯溝礦10號(hào)煤整層綜放開(kāi)采科學(xué)可行。

2）依10號(hào)煤層實(shí)際條件，頂煤冒放性的模糊數(shù)學(xué)分類(lèi)理論預(yù)測(cè)綜合評(píng)價(jià)為頂煤冒放性中等類(lèi)別。若夾矸層厚度變薄小于0.3～0.5 m，頂煤冒放性將會(huì)轉(zhuǎn)為較好的II類(lèi)類(lèi)別。

3）頂煤破壞系數(shù)0.720 7，位于III類(lèi)區(qū)域，屬于頂煤冒放性中等的III類(lèi)類(lèi)型，適宜綜放開(kāi)采。

4）10號(hào)煤層整層綜放開(kāi)采，頂煤冒放性介于II類(lèi)和III類(lèi)之間，即介于冒放性較好和冒放性中等之間，一般情況下為III類(lèi)冒放性中等，當(dāng)夾矸變薄時(shí)可以轉(zhuǎn)化為II類(lèi)冒放性較好情形。

5）依據(jù)10號(hào)煤層條件，借鑒中國(guó)多年綜放開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為10號(hào)煤層整層綜放開(kāi)采頂煤冒放性仍應(yīng)屬于III類(lèi)冒放性中等的類(lèi)型，采用綜放開(kāi)采是適宜的，可取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]宋選民.綜放采場(chǎng)頂煤冒放性控制理論及其應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002.

[2]靳鐘銘.放頂煤開(kāi)采理論與技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.

[3]王家臣.我國(guó)綜放開(kāi)采技術(shù)及其深層次發(fā)展問(wèn)題的探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，33(1):14-17.

[4]毛德兵,姚建國(guó).大采高綜放開(kāi)采適應(yīng)性研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35(11)：1837-1840.

[5]柴肇云.20m特厚煤層綜放開(kāi)采基礎(chǔ)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2005:60-65.