龙泉煤矿综放开采可行性研究

路全宽，田取珍，刘跃飞，李鹏翔

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

龙泉煤矿综放开采可行性研究

路全宽，田取珍，刘跃飞，李鹏翔

（太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024）

分析了龙泉煤矿4号煤层地质条件与煤岩层物理力学性质，结合我国综放开采技术现状，对龙泉煤矿综放开采的主要影响因素进行研究，认为该煤层采用综放开采是合理可行的。

综放开采；回采率；顶煤冒放性

1 概述

龙泉井田位于山西省娄烦县境内，井田面积35.23km2，设计规模5.0Mt/a，首采区为4号煤层，煤厚1.70m～8.2m，平均6.47m，煤层倾角多为5°～10°，最大不超过15°，埋藏深度300m～1000m，首采区平均采深450m，煤的抗压强度13.58MPa。首采工作面总体上沿煤层走向推进，倾角7°～8°左右。煤层顶板为砂质泥岩、煤线、粉砂岩、泥岩、砂岩组成，属不稳定至中等稳定顶板，底板为砂质泥岩和砂岩地层。4号煤层设计使用综合机械化放顶煤开采，要对4号煤综放煤开采的适应性进行研究。我们在龙泉矿井进行了实地煤岩心取样并在实验室进行了岩石力学实验，岩石力学参数，如表1所示。

表1 4号煤层及顶底板岩石力学参数表

2 综放开采回采率的分析

龙泉矿井4号煤层厚1.70 m～8.20 m，平均6.47 m，煤层厚度变化较大。龙泉井田共有钻孔88个，根据钻孔资料绘制全井田煤厚分布图，见图1。厚度7.0 m～8.0m的煤最多，占37%；其次为6.0m～7.0m的煤，占35%；厚度为5.0m～6.0m和8.0m以上的煤各占8 %；厚度为4.0m～5.0m和1.7m～3.0m的煤各占5%；厚度为3.0m～4.0m的煤仅占2%；全井田厚度6.0m以上的煤层占到80%。

首采区位于井田中西部的井底车场附近，共有钻孔22个，首采区煤层厚度分布，见图2，首采区内厚度6.0m～7.0m的煤最多，占58%；厚度7.0m～8.0m的煤，占37%；厚度5.0m～6.0m的煤仅占5%。如果首采区采用大采高综采，采高按6.0m计算，姑且不考虑巷道煤柱损失，仅考虑采高引起的丢煤率，则可算出首采区工作面的回采率C：

首采区工业储量Zg=1，5.0 m～6.0 m的煤没有损失，6.0m～7.0m的煤按6.5m计算，7.0m～8.0m的煤按7.5m计算，则其

工作面回采率：C=88.1%，低于规范的93%。

通过分析看出，龙泉矿4号煤层的厚度分布不均匀，变化较大，最小为1.7m，最大为8.2m，煤层厚度6.0 m以上占到80%，煤层厚度7.0m以上占到45%，如果选择大采高综采，丢煤严重，煤层厚度显然是不利因素。

图1 龙泉井田煤厚分布比例图

图3 4号煤层夹矸厚度比例图

图2 首采区煤厚分布比例图

3 顶煤冒放性的分析

3.1 煤层结构

煤层结构对放顶煤影响很大。坚硬的夹石会增强顶煤的整体性，不易垮落；但是可用高阻力液压支架使顶煤破碎，也可考虑施工措施巷对顶煤进行预碎加以解决。夹矸强度越大顶煤越难冒落，此时顶煤的冒放性差。根据放顶煤开采实践经验，煤层中含有坚硬夹石层厚度单层不宜超过0.3m，否则需用破碎措施。顶煤中夹石层厚度占煤层总厚度的比例也不宜超过10%～15%。

龙泉矿井4号煤层一般含3层夹矸，最多达8层，夹矸一般为泥岩或炭质泥岩，根据钻孔资料，夹矸厚度大于0.5m的占11%，煤层中夹石层厚度占煤层总厚度的11.6%，见图3。首采区共有钻孔22个，夹矸层数为0～6，多数为4层，夹矸厚度最大为0.95 m，多数小于0.3m。根据以上统计分析，4号煤层夹矸厚度较小，而且夹矸强度较低，对放顶煤开采影响不大。

3.2 开采深度

不考虑构造应力场的情况下，根据Griffith强度理论，顶煤发生破坏的临界赋存深度为：

式中：μ为煤的泊松比，0.27；γ为上覆岩层平均容重，26 000 N/m3；φ为煤的内摩擦角，26.35°；σc为煤的单轴抗压强度，13.58 MPa；K为应力集中系数，2.5。代入数据得到4号煤放顶煤开采的临界深度为324 m，而4号煤埋藏深度约300 m～1 000 m，首采区平均采深450m，远大于临界深度，适于放顶煤开采。

3.3 煤层强度

煤层强度直接影响顶煤冒放性，习惯上用普氏系数f（f=σc/10）表达煤的强度或坚硬程度。根据f值大小，一般将煤分为软煤(f≤1)、中硬煤(f=1～2)、硬煤(f≥2)。根据国内综采放顶煤工作面和大采高综采工作面的实测统计研究结果表明，煤层强度是影响采用放顶煤还是大采高的关键因素。一般来说：软煤最容易冒落，不产生悬顶冒落，块度小，块径一般在0.2m～0.3 m以下，可放性好；中硬煤次之，冒块多在0.3 m～0.6 m，极少数达1.0m，可放性较好。硬煤的冒落性最差，冒块多在1.0 m左右，常见大于1.0 m的块度，支架后方常有悬空顶煤，放出率很低。顶煤越硬，垮落角越小，对顶煤的放出不利。对大采高而言，煤的软硬直接影响到设备的使用效果；煤质太软、煤壁片帮严重，工作面容易发生端面冒顶，无法发挥大采高设备的能力；采高太高，甚至会发生安全事故。实践经验表明，普氏系数大于1.5的煤层，才适合于大采高综采。

经实验室所测煤体力学参数，4号煤层的单轴抗压强度平均为13.58MPa，则煤层普氏系数f=1.36，属于中硬偏软煤。4号煤层强度低，若采用大采高综采，片帮严重，生产组织困难，经济效益差，适于采用放顶煤开采。

3.4 顶底板条件

4号煤层顶板岩性软弱、破碎，以泥岩或砂质泥岩为主，其间夹有薄煤层，直接顶可随采随冒；对顶煤放出最有利的直接顶厚度Σh应为冒落后能充满采出空间，即Σh≥M/Kp。其中，M为采放高度取6.47m；KP为顶板岩石碎胀系数取1.2，则Σh≥5.4m。龙泉矿4号煤直接顶为4.8m的砂质泥岩，其上为5m厚的泥岩，冒落可较充分填充采空区。采用放顶煤综采工艺完全可以适应，因为这种顶板的垮落与冒落的顶煤，能在放煤过程中形成统一的松动冒落体，减少丢煤。

4号煤层直接顶板以砂质泥岩为主，次为粉砂岩和薄煤层，局部为细粒砂岩。细粒砂岩抗压强度为52.93MPa～104.77MPa，厚度较薄1m左右。砂质泥岩类抗压强度常为24.82MPa～42.92MPa，厚度较厚5m左右。总之直接顶强度低，可随采随冒。煤层顶板属于不稳定至中等稳定性顶板。底板为较厚细砂岩，强度60MPa左右，适合液压支架运行。采用放顶煤较适合。

3.5 煤层节理裂隙

煤层都呈现程度不同地含有地质弱面和构造，例如层理、节理、裂隙、断层、褶皱等。这些弱面将严重削弱煤体强度而增加煤体的变形性。对于放顶煤，煤层的节理裂隙发育程度影响到顶煤的冒放性；节理越发育，对放顶煤越有利。

从矿井下实地观测现场工程技术人员的反映和实验室钻取煤芯试样的损坏率来看，4号煤层的节理与裂隙中等发育，发育系数为0.3。4号煤层总体上是上半部较软，下半部较硬；上半部甚至不能取出完整的岩芯，单轴抗压强度8.5MPa，硬度系数f＜1；下半部较硬，其硬度系数也仅为f=1.3左右。

采用太原理工大学采矿工艺所靳钟铭教授的顶煤冒放性的研究成果。其分类的计算公式为：

式中：y为顶煤冒放性系数；H为煤层的埋深，m；Rc为煤层的单轴抗压强度，MPa；c为裂隙的发育程度系数；mj为煤层中夹石的厚度，m；md为顶煤的厚度，m。对4号煤层而言，埋深H为450m，煤层单轴抗压强度13.58MPa，煤层节理发育系数c选0.3，夹石平均厚度mj=0.25m，顶煤厚度选3.67m，把数据代入式，可得y=0.94。根据顶煤冒放性分类数据可知，4号煤冒放性为好，说明4号煤层适合采用放顶煤开采。

4 结论

（1）通过现场取岩芯和实验得到了龙泉煤矿4号煤层围岩物理力学性质，并从煤层厚度分布，煤的回收率分析了采用综放的合理可行性。（2）在龙泉矿4号煤及其顶底板物理力学参数的成果上，对影响龙泉煤矿顶煤冒放性的地质因素进行了分析研究。最后认定，龙泉煤矿顶煤冒放性为好，适合于放顶煤开采。

[1]康天合，宋选民，弓培林，靳钟铭.煤层条件对顶煤可放性的影响研究[J].岩土工程学报，1996，18(5):22-28.

[2]李慧.浅埋藏坚硬特厚煤层放顶煤开采顶煤冒放性研究[D].太原：太原理工大学，2007.

[3]司志群.上榆泉煤矿综放开采可行性研究[J].煤炭科技，2009(2)：1-3.

Feasibility Study of Fully-m/echanized Mining in Longquan Mine

LU Quan-kuan,Tian Qu-zhen,LIU Yue-fei,LI Peng-xiang
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

The article analyzed the geological condition and coal and rock strata physical and mechanical features of No.4 seam in Longquan mine.Based on the fully-mechanized mining technology in China,the major influential factors were studied to conclude that it was feasible to use fully-mechanized mining in the seam.

fully-mechanized mining;recovery ratio;top coal falling

TD823

A

1672-5050（2012）04-0046-03

2012-01-10

路全宽（1982—），男，山西大同人，在读硕士研究生，从事煤矿开采方法及煤矿设计的研究工作。

刘新光