公乌素煤矿顶煤冒放性研究

徐国华，张金山，姚 平，李 辰，王洪武，李 晨

（1．乌海市公乌素煤业有限责任公司，内蒙古 乌海 016010；2．内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014010；3．神华乌海能源有限责任公司，内蒙古 乌海 016010）

·试验研究·

公乌素煤矿顶煤冒放性研究

徐国华1，张金山2，姚 平3，李 辰3，王洪武1，李 晨2

（1．乌海市公乌素煤业有限责任公司，内蒙古 乌海 016010；2．内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014010；3．神华乌海能源有限责任公司，内蒙古 乌海 016010）

根据公乌素煤矿1604综放工作面16＃煤层实际地质条件，采用模糊数学分类方法，以煤体强度、裂隙分布、夹矸影响、开采深度、煤层厚度、顶板岩性等6个因素，为指标对顶煤冒放性进行分析。研究结果表明，16＃煤层顶煤冒放性好（Ⅱ类），对该煤矿的生产实践具有重要的指导意义。

综放开采；顶煤冒放性；模糊数学；评价

综放开采自引进我国以来，经过多年的发展，已经成为我国开采厚及特厚煤层的主要采煤方法之一。顶煤冒放性是指综放开采过程中，顶煤在支承压力作用下冒落放出的难易程度，亦即可冒性和可放性的总称。顶煤冒放性的难易程度不仅可以用来判断煤层是否可以采用综放开采，而且为综放开采工艺参数设计和提高顶煤回收率所要采取的措施提供重要依据。本文采用模糊数学分类方法，对神华集团乌海能源有限责任公司公乌素煤矿的顶煤冒放性进行了分析，对该煤矿的生产实践具有一定的指导意义。

1 矿井概况

公乌素煤矿，位于桌子山煤田东南部的公乌素勘探区，隶属于乌海市海南区行政管辖。1604工作面主采16＃煤层，可采储量622万t。16＃煤层厚度1．67～10．51 m，加权平均厚度为8．5 m，底煤采高2．4 m，放煤高度为6．1 m，煤层走向N35°E，煤层倾角15°～25°、局部倾角32°～35°，属于大倾角特厚煤层。煤质硬度为1．5，属软～中硬煤，夹矸5～7层；煤层走向长度为1 768 m，倾斜长度为310 m。煤层结构为复杂结构，16＃煤层顶板为以深灰色泥岩为特征的砂质泥岩，厚度4～6 m，底板为以灰石英为主的砂岩，厚度3～5 m。

2 顶煤冒放性的影响因素

影响顶煤冒放性的因素很多，一般可以归纳为两类：地质条件的影响和放煤工艺的影响。地质条件的影响包括煤层自身的强度、各种弱面（裂隙、层理等）的发育与分布情况、夹矸情况、开采深度、顶煤厚度、顶板岩性［1］。放煤工艺的影响包括采放比、放煤工艺、工作面长度、支架的架型与开采工艺等。放煤工艺的影响随人们的决策而变化，而地质条件是客观存在的因素。因此，分析顶煤冒放性时，应该以客观存在的地质条件为主。顶煤冒放性的影响因素有6个，这6个因素相互独立，且对顶煤冒放性的影响均具有模糊性。

3 评价方法

在进行顶煤冒放性分类评价中，模糊性是必须考虑的重要特性之一。模糊数学史由美国的控制专家扎德（L．A．Zaden）所创立［2］，根据事物的不确定性研究事物之间的相互关系。本文利用模糊数学方法对公乌素煤矿1604综放工作面顶煤进行综合评价与分类。

采用顶煤冒放性综合隶属度F来评价其垮冒的难易程度。影响顶煤冒放的因素为：煤体强度σc、开采深度H、夹矸影响g、煤层开采厚度M、裂隙分布RM、顶板岩性D。

定义顶煤冒放性影响因素集为：

定义顶煤冒放性综合隶属度F，F代表了顶煤冒放难度，采用平均加权法得：

式中：

wi—第i个影响因素在顶煤冒放性中占的权重；

ui（ui）—顶煤冒放性的第i个影响因素。

wi取值如下：

根据对各因素的分析，运用线性函数描述各影响因素对顶煤冒放性的影响。

1）煤体强度σc。

式中：

σc—单轴抗压强度，MPa。

2）开采深度H。

式中：

H—开采深度，m。

3）夹矸影响g。

夹矸层厚度gh：

夹矸层抗压强度gR：

夹矸层中位线距底板的距离gw：

式中：

gh—夹矸层厚度，m；

gR—夹矸层抗压强度，MPa；

gw—夹矸层中位线距煤层底板的距离，m；

M1—工作面底煤采高，m；

M—工作面煤层厚度，m。

4）煤层开采厚度M。

5）裂隙分布RM。

顶煤中主要裂隙特征函数：

顶煤宏观分层厚度特征函数：

式中：

S1—顶煤中主裂隙平均间隔，m；

S2—顶煤的宏观分层厚度，m。

6）顶板岩性D。

式中：

DZ—煤层直接顶的类别号数；

DL—老顶的级别号数。

根据顶煤实际参数代入公式中求F值，根据F值判断顶煤的冒放性。

西安科技大学索永录教授按照顶煤冒放性综合隶属度F值的大小，将顶煤垮冒难易程度分为5类［3］，见表1。

表1 顶煤分类表

4 公乌素煤矿顶煤冒放性评价

1）煤体强度的测定。

在1604综放工作面现场取煤样，通过岩石切割机制作为长方体试件，试件长、宽、高分别为80 mm、50 mm、50 mm。然后在压力试验机上进行单轴抗压强度测定，测定时需要测5组数据且测定平行及垂直层理的强度，最后取均值。

式中：

P—破坏载荷，N；

A—试件加载时的横截面积，mm2。

测定结果为煤体平行层理的抗压强度为8．20 MPa，垂直层理的抗压强度为10．88 MPa，则平均抗压强度为9．54 MPa，代入式（2）中可知：

2）开采深度。

16＃煤层赋存深度为16．33～555．22m，则平均赋存深度为285．775 m，代入式（3）中可知：

3）夹矸影响。

16＃煤层夹矸为黏土页岩，厚度为0．58 m，夹矸层中位线距底板距离为3．96 m，夹矸的抗压强度测定与煤体抗压强度测定方法一样，其结果为夹矸抗压强度为6．43 MPa，代入式（3）～（7）中可知：

4）煤层开采厚度。

16＃煤赋存厚度为1．67～10．51 m，加权平均厚度为8．5 m，代入式（8）可知：

5）裂隙分布。

由现场观察知顶煤中主裂隙平均间隔位0．5 m，顶煤的宏观分层厚度1．4 m，代入式（9）～（11）中可知：

6）顶板岩性。

直接顶垮落步距：

基本顶初次来压当量：

式中：

Lr—直接顶垮落步距，m；

C—综合弱化常数，一般取0．2～0．3；

σc—直接顶岩石单向抗压强度，MPa；

hc—直接顶分层厚度，m；

P—基本顶初次来压当量；

Lf—基本顶初次来压步距，m；

N—直接顶充填系数（直接顶厚度与煤层采高的比值）；

M1—煤层采高，m。

经实验测定，直接顶岩石单向抗压强度为75．6 MPa；直接顶分层厚度为2．092 m；综合弱化常数取0．25；基本顶初次来压步距为46．7 m，直接顶厚度10．46 m，煤层采高8．5 m，则直接顶充填系数为1．231。代入式（14）、式（15）可知：

通过现场实测，结合式（14）和式（15）对直接顶和基本顶进行分类。

由Lr取值和P取值可知直接顶为3类，基本顶为4级。代入式（12）可知：

将u1～u6计算得出的结果代入式（1）中可知：

5 结 语

采用模糊数学方法对公乌素煤矿16＃煤层顶煤冒放性进行研究，结果显示，直接顶类别号为3，基本顶级别号为4，由F值可知公乌素煤矿顶煤冒放性属于Ⅱ类，表示顶煤垮冒难度较小，垮落角在75°～85°，顶煤冒落形态为半拱式或柱状式，不会出现悬顶现象，不用对顶煤采取预先弱化措施，说明了16＃煤层适合采用综放技术开采。通过对公乌素煤矿1604综放工作面现场实际观测后发现：顶煤冒放性较好，能够自行垮落并顺利放出，进一步验证了本次研究结果的正确性。

［1］ 王 飞．厚煤层顶煤可放性影响因素分析与评价［J］．煤炭工程，2010（4）：40-42．

［2］ 曲民强，康天合，靳钟铭．顶煤冒放性的模糊数学分类研究［J］．太原理工大学学报，1998，29（2）：174-177．

［3］ 索永录．综放开采坚硬顶煤预先爆破弱化技术基础研究［D］．西安：西安科技大学，2004：45-47．

Research on Top-coal Caving Characteristics in Gongwusu Coal Mine

Xu Guo-hua，Zhang Jin-shan，Yao Ping，Li Chen，Wang Hong-wu，Li Chen

According to 16＃coal layer actual geological conditions of1604 fully mechanized caving face in Gongwusu coal mine，the paper analyzed top-coal caving characteristics according to the following six factors，such as coal intensity，roof fissuring and cracks，coal bed dirt layers，mining depth，coal seam thickness，roof rock characters and so on by using the classification method of fuzzy mathematic．Results indicate that the top-coal caving characteristics in 16＃coal is extremely good（Ⅱ），and it has an important guiding significance for producing practice of Gongwusu coal mine．

Fully mechanized top coal caving mining；Top-coal caving characteristics；Fuzzy mathematic；E-valuation

TD823．4+9

A

1672-0652（2013）09-0025-04

2013-06-06

徐国华（1965—），男，内蒙古凉城人，2009年毕业于内蒙古科技大学，工程师，主要从事煤炭生产技术与管理工作（E-mail）lcjc＠163．com