馬延斌

(遼寧煤礦安全監(jiān)察局遼東監(jiān)察分局，遼寧沈陽(yáng) 110042)

1 工程概況

頂煤能否有效順利放出是放頂煤開(kāi)采的關(guān)鍵所在。因此，科學(xué)合理評(píng)價(jià)頂煤冒落及放出的難易程度對(duì)綜放開(kāi)采具有重要的實(shí)際意義。為此，許多學(xué)者從不同角度對(duì)頂煤冒放性的影響因素和分類進(jìn)行了研究。文1采用分形理論、相似模擬、現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)及計(jì)算機(jī)優(yōu)化等手段［1］，研究了頂煤冒放性的自然影響因素;文2在模糊聚類分析的基礎(chǔ)上［2］，利用模糊模式識(shí)別方法對(duì)頂煤冒放性進(jìn)行分類預(yù)測(cè)研究，均取得了一定的成果。通過(guò)大量的理論和實(shí)驗(yàn)分析可知，影響綜放開(kāi)采頂煤冒放性的因素有:采深、煤層強(qiáng)度、煤層厚度、直接頂厚度、裂隙發(fā)育程度等［3］。

井工一礦4#煤層位于太原組頂部，為上組煤主要可采煤層，全區(qū)穩(wěn)定可采。厚8.02 m～18.2m，平均13.90m。煤層平均硬度系數(shù) f=1.54，屬中硬煤層。中部以不規(guī)則形狀向南東方向分叉，分岔上層為 4－1煤，下層為 4－2煤，4#煤層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 4#煤的物理力學(xué)性質(zhì)表

2 頂煤冒放相關(guān)因素分析

2.1 開(kāi)采深度對(duì)頂煤冒放性的影響

頂煤的破壞主要受地應(yīng)力和煤體的強(qiáng)度的影響，地應(yīng)力的大小主要取決于煤層的埋藏深度和超前應(yīng)力集中系數(shù)，其破壞以剪切破壞為主，符合摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，開(kāi)采深度H和煤體抗壓強(qiáng)度Rc的關(guān)系為:

式中:Rc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，15.4 MPa;γ為上覆巖層平均容重，取25kN/m3;K為峰值應(yīng)力集中系數(shù)，取 2.5;K'=(1+sinφ)/(1－sinφ)=3.44;φ為煤體內(nèi)摩擦角，34.38o;λ為側(cè)壓系數(shù)，取0.25。經(jīng)計(jì)算可得，H=0.301km。

由公式(1)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)開(kāi)采深度達(dá)到301m以上時(shí)，頂煤開(kāi)始破壞，4106工作面地面標(biāo)高為+1440～+1284(m)，工作面標(biāo)高為+1224～+1050(m)，大部分區(qū)域埋藏深度不超過(guò)300m，埋藏較淺，不利于頂煤的冒放［4］。

2.2 煤層強(qiáng)度對(duì)頂煤冒放性的影響

煤層強(qiáng)度對(duì)頂煤冒放性有直接的影響，4號(hào)煤層的單軸抗壓強(qiáng)度為11.5～24.8MPa，平均抗壓強(qiáng)度為15.4 MPa，屬于中硬煤。

圖1 煤層強(qiáng)度(Rc)和破碎帶傾角的關(guān)系

煤體強(qiáng)度與頂煤的垮落角有密切的關(guān)系，一般頂煤垮落角θ＜60°的情形，其放出率約為30%左右，θ＜80°的頂煤，放出率超不過(guò)50，只有 θ＞80°的頂煤，放出率才可能達(dá)到60 ～70 以上［5］，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)可知，4#煤層頂煤的的冒落角約為95o，頂煤處于支架上方的剪力區(qū)內(nèi)，有利于頂煤的冒放。

2.3 煤層厚度的影響

煤層厚度對(duì)冒放性的影響，過(guò)薄的頂煤是隨采隨冒，很難控制其一定在支架尾部冒落;過(guò)厚的頂煤在控頂區(qū)內(nèi)，上部頂煤難以充分松動(dòng)的，難以冒落的。且在放煤過(guò)程中，滯后冒落的頂煤與直接頂板的冒落混在一起，使其含矸率增大。因此，頂煤厚度在合理的范圍內(nèi)有利于頂煤的冒放［6］。

中硬煤的最大臨界煤厚為:

式中:S為頂煤冒寬，m;目前該礦放頂煤支架為1.6m，f1為煤塊內(nèi)摩擦角系數(shù)，f1=0.5～0.7，平均0.6;L為放煤支架控頂距，取4.9m，φ為松散煤體內(nèi)摩擦角，平均30°.帶入公式得:

根據(jù)中硬煤的半拱冒放結(jié)構(gòu)，可得該條件下的最小臨界厚度為:

式中:α為放煤口高度，其余符號(hào)同前，帶入公式得:

根據(jù)4107主運(yùn)巷素描圖可得頂煤厚度變化如圖2所示:

從圖2.4和表2.4可以看出，頂煤厚度變化較大，小于3m的占7.5%，3～4m的占27.5%，4～5m的占22.5%，5～6m的占27.5%，6～7m的占12.5%，大于7m的占27.5%?？煽闯?0%的頂煤在最大、最小臨界厚度之間，表明該區(qū)域內(nèi)的煤層厚度適合采用綜放工藝。

2.4 夾矸對(duì)頂煤冒放性的影響

根據(jù)夾矸的層位，夾矸可分為上部夾矸、中部夾矸和下部夾矸，下部夾矸可被采煤機(jī)直接切割或在支架作用下易破碎而冒落;中部夾矸或較厚的上部夾矸其余的中部夾石層是對(duì)頂煤冒放性影響較大;當(dāng)中部厚度大、巖性強(qiáng)度高時(shí)，可能會(huì)形成難冒落的懸頂狀態(tài)，阻止了上部頂煤的冒放，嚴(yán)重降低頂煤放出率。為定量分析夾矸對(duì)頂煤冒放的影響，夾矸影響系數(shù)為:

圖2 4106工作面頂煤厚度分布圖

式中:M為煤層厚度，Mc為放煤厚度和底層采高，m;Rcm為煤層抗壓強(qiáng)度，MPa;夾矸層數(shù)為nr，各夾矸層厚度為 mri，各層強(qiáng)度為 Rri。

如煤的強(qiáng)度大于夾矸的強(qiáng)度，夾矸對(duì)頂煤的冒放性沒(méi)有影響;煤層強(qiáng)度大于夾矸層時(shí)，JG值越大，影響頂煤冒放性越嚴(yán)重。太西區(qū)4#煤平均煤厚為10 m，平均夾矸厚度取 0.3m，Rcm=15.4 MPa，Rri=50.44 MPa，帶入公式得:JG=4.78 ＞1。表明夾矸對(duì)頂煤冒放影響較大［7，8］。

2.5 頂煤節(jié)理裂隙對(duì)冒放性的影響

節(jié)理裂隙發(fā)育的煤層，煤體的完整性較差，整體強(qiáng)度下降，裂隙越密集，頂煤越易破碎、冒放塊度越小，越利于放出，也即頂煤冒放性越好，反之則越差。節(jié)理裂隙對(duì)巖體強(qiáng)度的影響程度與節(jié)理裂隙的走向、傾角、密度、裂縫充填程度等有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，4#煤主要有2組節(jié)理，傾向大約分別為60°和320°。傾角主要都分布在70°到90°之間，有利于頂煤的冒落。

表3 節(jié)理間距和跡長(zhǎng)的平均值

3 模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)宋選民在綜放采場(chǎng)頂煤冒放性控制理論及其應(yīng)用的研究中，利用模糊數(shù)學(xué)推導(dǎo)了冒放性綜合指標(biāo)值Y和各影響因素的數(shù)學(xué)關(guān)系為［9］:

式中:H為開(kāi)采深度，取均值200m;Rc為煤體抗壓強(qiáng)度，15.4MPa;Mj為夾石厚度，0.3m;Md為頂煤厚度，取均值6m;D1為煤體裂隙分維值，取1.5。經(jīng)計(jì)算可得:Y=0.7469。

表2 頂煤冒放性綜合指標(biāo)y分類表

因此，由表2可知，4#煤層的冒放性為Ⅲ類，屬于冒放性中等的程度。即其頂煤放出率一般為50～64%，開(kāi)采過(guò)程應(yīng)適當(dāng)提高支架工作阻力，選擇合理的架型和放煤參數(shù)。

4 結(jié)論

1)通過(guò)分析井工一礦4106工作面頂煤冒放相關(guān)因素可知:該煤層埋深大部分小于300m左右，埋藏較淺，不利于頂煤的冒放。煤中夾矸對(duì)頂煤的冒落影響較大，需要采取松動(dòng)爆破措施以增加頂煤的冒放性。4#煤主要有2組節(jié)理，傾向大約分別為60o和320o。傾角主要都分布在70°到90°之間，這有利于頂煤的冒落。

2)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)4#煤層的頂煤冒放性綜合指標(biāo)值Y為0.7469，冒放性為Ⅲ類，屬于冒放性中等的程度。該種條件下放煤應(yīng)適當(dāng)提高支架工作阻力，選擇合理的架型和放煤參數(shù)。

［1］ 靳鐘銘，宋選民，康天合，等. 頂煤冒放性影響因素及分類研究［A］.//吳鍵編.綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采論文集［C］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1996，65 －72.

［2］ 賈光勝，樊運(yùn)策.綜放開(kāi)采頂煤冒放性研究［A］.//吳鍵編.綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采論文集［C］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1996，73 －79.

［3］ 呂夢(mèng)蛟.綜放開(kāi)采頂煤冒放性因素分析與評(píng)價(jià)［J］.山西煤炭，2009，29(3):20 －23.

［4］ 周鳳燕.朝克烏拉礦綜放開(kāi)采頂煤冒放性研究［D］.沈陽(yáng):遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士論文，2010.

［5］ 趙慶彪，張振芳，王德勝.極近距離煤層整體合層綜采放頂煤 (巖)技術(shù)［J］.煤礦開(kāi)采，2013，18(2):22－25.

［6］ 盧國(guó)梁.兩硬條件綜放開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)［J］.煤礦開(kāi)采，2009，14(3):23 －25.

［7］ 范世民，胡學(xué)軍.放頂煤開(kāi)采頂煤冒放性分類及其在潞安礦區(qū)的應(yīng)用［J］. 煤炭學(xué)報(bào)，2005，4.

［8］ 賈光勝，田有明，常海雷，等.王坡井田3號(hào)煤層綜放開(kāi)采可行性研究［J］.煤礦開(kāi)采，2004.6.

［9］ 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.