磁窑沟矿10 号煤层综放开采的适应性研究

邬培菊，宋选民，祁景生，段春生

（1.山西晋神能源有限公司，山西 河曲 36500；2.太原理工大学 采矿工艺研究所，山西 太原 030024）

晋神能源公司实行大规模高强度开采的发展战略，造成可用资源急剧减少，出现接替资源紧张苗头。对于总厚度13～14m的10号煤层而言，丢煤较多，严重影响矿区服务年限和经济效益。在其后续开发中，如何提高煤炭资源回收率、防治采空区自燃发火及瓦斯灾害问题，显得非常重要。为此，要对10号煤层试验综放开采，以提高回收率。其中关键问题为：煤层赋存条件是否适宜综放开采方法，如何实现综放采场的围岩安全控制并构建良好的放煤环境[1]。第一个问题是评价开采深度、煤层强度、裂隙发育程度、夹矸层岩性厚度、层位与强度、顶板岩层结构及强度与垮落环境等因素综合适应放顶煤开采的冒放条件[2,3]。第二个问题是要合理选择支架架型和工作阻力等参数，实现对放顶煤采场顶板的安全控制，并要选定合适的采放比、放煤机构与相关参数，达到良好的放煤效果[4]。本文主要探讨顶煤冒放性的适应性问题。

1 磁窑沟矿10号煤层赋存条件

1）10号煤层开采深度。10号煤层埋藏深度125.2～172.38m，平均开采深度150.21m。采布局平面图中，HZK5-1和ZK23钻孔距离10203综放工作面较近，此两个钻孔揭示的开采深度平均为148.13 m，与4个钻孔埋藏深度的均值基本一致。

2）10号煤层厚度。10号煤层总厚度12.20～16.70m，平均14.73m。纯煤层厚度9.93～13.34m，平均11.69m。

3）10号煤层夹矸厚度、层位、岩性强度。夹矸总厚度2.00～3.94m，平均2.87m。夹矸层最大厚度0.64～1.43 m，平均1.15 m。对顶煤冒放性有影响的夹矸层数1～3层，平均2.25层。夹矸层的单轴抗压强度36.07MPa，单轴抗拉强度1.46 MPa。从其夹矸层数、层位和厚度、岩性强度来看，均存在大于0.5 m的泥岩夹矸，层位一般在顶煤中上部，故对顶煤冒放性影响较大。

4）10号煤层强度。10号煤层10-1分层单轴抗压强度均值9.966 MPa，如表1所示，10-2分层单轴抗压强度均值9.865 MPa，如表2所示，上分层抗压强度略大，但相差无几，平均强度9.9155MPa。实测10-1分层弹性模量E=1 500 MPa，泊松比μ=0.18；10-2分层弹性模量E=823.7 MPa，泊松比μ=0.16。据此，磁窑沟矿综放开采顶煤单轴抗压强度为9.966 MPa，普氏系数f≈1.0，属于软煤层，从此角度而言，非常适宜采用放顶煤开采。

表1 10-1 煤层抗压强度试验结果

表2 10-2 煤层单轴抗压强度试验结果

5）10号煤层顶底板岩性与结构条件。10号煤层局部有伪顶，岩性碳质泥岩，厚度最大0.5m，平均0.2m，具垂直裂隙。直接顶为厚5.57m的粗、中、细、粉粒砂岩互层，多为石英、长石，胶结性较好，抗压强度平均36.07MPa。基本顶（老顶）为平均厚9.62 m粗、中粒砂岩，呈灰白色，主要成份石英、长石，再往上局部见9号煤层，抗压强度平均52.83MPa。10号煤层底板为均厚6.66m的泥岩，呈灰黑色，层状，固结性较好。再往下为11号煤层，平均厚度3.85m，底板抗压强度应为18.2MPa。

2 10号煤层综放开采适应性的预测评价

2.1 10 号煤层适应放顶煤开采的临界深度预测评价

10号煤层全厚整层综放开采条件下，10号煤层平均总厚14.73 m，煤层高7.86～8.91 m，即顶煤上部（底层采高3.8 m）约4.06～5.11 m位置存在一层平均厚1.25 m的泥岩夹矸层，此时不同强度的分层以及夹矸能否在综放开采的前方支承压力作用下压裂破碎并放出，就成为综放可否成功采用的关键所在。太原理工大学综放开采研究中，提出采用综放开采的临界开采深度[1,2]为：

式中：K 为综放工作面前方的支承压力集中系数；Rc为煤层单轴抗压强度，MPa；φ 为煤体内摩擦角，（°）；γ为上覆岩层的平均容重，N/m3；λ 为侧压系数，并且λ=μ/(1-μ)，μ 为煤体的泊松比。若取顶板岩石容重γ 为0.026 N/m3，内摩擦角φ 为200°，煤体泊松比μ 为0.18，则侧压系数λ 为0.22，整层综放开采支承压力集中系数K 为3.5，上部煤层单轴抗压强度Rc为9.966 MPa，则算得临界深度为：

当不考虑煤层裂隙等因素的影响时，适应综放开采的临界深度为120.31 m。依据矿方提供的10号煤层柱状，10号煤层最大开采深度H=172.38 m，最小深度125.2 m，平均深度150 m，符合实际开采深度大于等于临界开采深度的条件，即H=150 m≥Hlj=120.31 m.因此，磁窑沟矿10号煤层在整层综放条件下，依此临界开采深度的判断准则，实现14.73 m厚煤层安全高效的综放开采是可行的。

2.2 10 号煤层综放顶煤冒放性的模糊理论预测

顶煤冒放性分类的模糊理论预测中，选取开采深度H、煤体抗压强度Rc、夹石层厚度Mj、煤层厚度M、裂隙指标ND、采空区充满系数K 六个因素，进行顶煤冒放性分类。在此，H=172.38m，Rc=9.966MPa，Mj=1.14m，M=14.73 m，ND=2.528，直接顶充满系数K=9.37/14.73=0.64，按照其预测理论模型[1，2]的模糊关系矩阵R 为：

通过研究，影响顶煤冒放性的各因素权重为：

按照模糊线性加权变换方法，模糊评价向量B 为：

进行评价向量归一化后，得标准模糊评价向量为：

因评价向量是模糊的，为使评价过程简便可行、易于理解，顶煤冒放性难易程度采用类别的百分制分数表示，即类别评分向量为：

在此，100分对应I类顶煤冒放性极好的条件，80分对应II类顶煤冒放性好的条件，60分对应III类顶煤冒放性中等的条件，40分对应IV类顶煤冒放性较差的条件，20分对应V类顶煤冒放性极差的条件。

整层综放开采顶煤冒放性的综合评价得分为：

代入相应数据，可得：

依照顶煤冒放性综合评价的得分分类标准[1,2]：I类，顶煤冒放性好，S>80；II类，顶煤冒放性较好，S=65～80；III类，顶煤冒放性中等，S=50～65；IV类，顶煤冒放性较差，S=40～50；V类，顶煤冒放性极差，S<40。依据磁窑沟矿10号煤层整层综放开采的实际条件，综合评价得分为64.21，正好落在50～65分的III类区间，故其为顶煤冒放性中等的类型。按照顶煤冒放性的模糊数学分类理论预测，应为冒放性中等的类型，当夹矸层变薄时（低于0.3～0.5 m），冒放性变为较好的II类类型，故磁窑沟矿10号煤层进行整层综放开采是可行的。

2.3 采用顶煤冒放性破坏系数方法的分类预测

按照顶煤冒放性的破坏系数分类方法[1，2]，其回归预测公式为：

式中：Rc为煤层单轴抗压强度，MPa；H 为开采深度，m；C 为裂隙折减系数；Mj和Md分别为夹矸层厚度和顶煤厚度，m。依次分类预测的判据，如表3所示。

表3 顶煤冒放性破坏系数分类[1,2]

10号煤层夹矸层平均厚度Mj=1.15 m，若取底层机采高度3.8 m，则Md=10.93 m，由磁窑沟矿首采综放工作面的实测数据，煤体的裂隙分维D1=1.264，算出裂隙折减系数C=0.15，将其带入式（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类区域，（Y=0.7～0.79），属于顶煤冒放性中等的III类类型，比较适合综放开采工艺，且能大幅度回收特厚煤层资源，减少资源损失。提高顶煤冒放性的措施为设法软化顶煤内夹矸、降低其强度、增加放出率，主要有高压注水软化技术和采前预爆破弱化顶煤、夹矸层的辅助处理技术。

3 10号煤综放开采顶煤冒放性研究结论

1）整层综放开采，预测计算的临界深度120.31 m。10号煤层开采深度172.38 m，平均150 m，符合实际开采深度大于临界开采深度的条件。依此临界开采深度的判断准则，磁窑沟矿10号煤整层综放开采科学可行。

2）依10号煤层实际条件，顶煤冒放性的模糊数学分类理论预测综合评价为顶煤冒放性中等类别。若夹矸层厚度变薄小于0.3～0.5 m，顶煤冒放性将会转为较好的II类类别。

3）顶煤破坏系数0.720 7，位于III类区域，属于顶煤冒放性中等的III类类型，适宜综放开采。

4）10号煤层整层综放开采，顶煤冒放性介于II类和III类之间，即介于冒放性较好和冒放性中等之间，一般情况下为III类冒放性中等，当夹矸变薄时可以转化为II类冒放性较好情形。

5）依据10号煤层条件，借鉴中国多年综放开采经验，认为10号煤层整层综放开采顶煤冒放性仍应属于III类冒放性中等的类型，采用综放开采是适宜的，可取得很好的经济效益。

[1]宋选民.综放采场顶煤冒放性控制理论及其应用[M].北京：煤炭工业出版社，2002.

[2]靳钟铭.放顶煤开采理论与技术[M].北京：煤炭工业出版社，2001.

[3]王家臣.我国综放开采技术及其深层次发展问题的探讨[J].煤炭科学技术，2005，33(1):14-17.

[4]毛德兵,姚建国.大采高综放开采适应性研究[J].煤炭学报，2010，35(11)：1837-1840.

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