浅埋深特厚煤层顶煤冒放性影响因素分析

马延斌

(辽宁煤矿安全监察局辽东监察分局，辽宁沈阳 110042)

1 工程概况

顶煤能否有效顺利放出是放顶煤开采的关键所在。因此，科学合理评价顶煤冒落及放出的难易程度对综放开采具有重要的实际意义。为此，许多学者从不同角度对顶煤冒放性的影响因素和分类进行了研究。文1采用分形理论、相似模拟、现场统计及计算机优化等手段［1］，研究了顶煤冒放性的自然影响因素;文2在模糊聚类分析的基础上［2］，利用模糊模式识别方法对顶煤冒放性进行分类预测研究，均取得了一定的成果。通过大量的理论和实验分析可知，影响综放开采顶煤冒放性的因素有:采深、煤层强度、煤层厚度、直接顶厚度、裂隙发育程度等［3］。

井工一矿4#煤层位于太原组顶部，为上组煤主要可采煤层，全区稳定可采。厚8.02 m～18.2m，平均13.90m。煤层平均硬度系数 f=1.54，属中硬煤层。中部以不规则形状向南东方向分叉，分岔上层为 4－1煤，下层为 4－2煤，4#煤层的物理力学参数见表1。

表1 4#煤的物理力学性质表

2 顶煤冒放相关因素分析

2.1 开采深度对顶煤冒放性的影响

顶煤的破坏主要受地应力和煤体的强度的影响，地应力的大小主要取决于煤层的埋藏深度和超前应力集中系数，其破坏以剪切破坏为主，符合摩尔库伦准则，开采深度H和煤体抗压强度Rc的关系为:

式中:Rc为煤体单轴抗压强度，15.4 MPa;γ为上覆岩层平均容重，取25kN/m3;K为峰值应力集中系数，取 2.5;K'=(1+sinφ)/(1－sinφ)=3.44;φ为煤体内摩擦角，34.38o;λ为侧压系数，取0.25。经计算可得，H=0.301km。

由公式(1)计算结果可知，当开采深度达到301m以上时，顶煤开始破坏，4106工作面地面标高为+1440～+1284(m)，工作面标高为+1224～+1050(m)，大部分区域埋藏深度不超过300m，埋藏较浅，不利于顶煤的冒放［4］。

2.2 煤层强度对顶煤冒放性的影响

煤层强度对顶煤冒放性有直接的影响，4号煤层的单轴抗压强度为11.5～24.8MPa，平均抗压强度为15.4 MPa，属于中硬煤。

图1 煤层强度(Rc)和破碎带倾角的关系

煤体强度与顶煤的垮落角有密切的关系，一般顶煤垮落角θ＜60°的情形，其放出率约为30%左右，θ＜80°的顶煤，放出率超不过50，只有 θ＞80°的顶煤，放出率才可能达到60 ～70 以上［5］，根据现场生产可知，4#煤层顶煤的的冒落角约为95o，顶煤处于支架上方的剪力区内，有利于顶煤的冒放。

2.3 煤层厚度的影响

煤层厚度对冒放性的影响，过薄的顶煤是随采随冒，很难控制其一定在支架尾部冒落;过厚的顶煤在控顶区内，上部顶煤难以充分松动的，难以冒落的。且在放煤过程中，滞后冒落的顶煤与直接顶板的冒落混在一起，使其含矸率增大。因此，顶煤厚度在合理的范围内有利于顶煤的冒放［6］。

中硬煤的最大临界煤厚为:

式中:S为顶煤冒宽，m;目前该矿放顶煤支架为1.6m，f1为煤块内摩擦角系数，f1=0.5～0.7，平均0.6;L为放煤支架控顶距，取4.9m，φ为松散煤体内摩擦角，平均30°.带入公式得:

根据中硬煤的半拱冒放结构，可得该条件下的最小临界厚度为:

式中:α为放煤口高度，其余符号同前，带入公式得:

根据4107主运巷素描图可得顶煤厚度变化如图2所示:

从图2.4和表2.4可以看出，顶煤厚度变化较大，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%。可看出80%的顶煤在最大、最小临界厚度之间，表明该区域内的煤层厚度适合采用综放工艺。

2.4 夹矸对顶煤冒放性的影响

根据夹矸的层位，夹矸可分为上部夹矸、中部夹矸和下部夹矸，下部夹矸可被采煤机直接切割或在支架作用下易破碎而冒落;中部夹矸或较厚的上部夹矸其余的中部夹石层是对顶煤冒放性影响较大;当中部厚度大、岩性强度高时，可能会形成难冒落的悬顶状态，阻止了上部顶煤的冒放，严重降低顶煤放出率。为定量分析夹矸对顶煤冒放的影响，夹矸影响系数为:

图2 4106工作面顶煤厚度分布图

式中:M为煤层厚度，Mc为放煤厚度和底层采高，m;Rcm为煤层抗压强度，MPa;夹矸层数为nr，各夹矸层厚度为 mri，各层强度为 Rri。

如煤的强度大于夹矸的强度，夹矸对顶煤的冒放性没有影响;煤层强度大于夹矸层时，JG值越大，影响顶煤冒放性越严重。太西区4#煤平均煤厚为10 m，平均夹矸厚度取 0.3m，Rcm=15.4 MPa，Rri=50.44 MPa，带入公式得:JG=4.78 ＞1。表明夹矸对顶煤冒放影响较大［7，8］。

2.5 顶煤节理裂隙对冒放性的影响

节理裂隙发育的煤层，煤体的完整性较差，整体强度下降，裂隙越密集，顶煤越易破碎、冒放块度越小，越利于放出，也即顶煤冒放性越好，反之则越差。节理裂隙对岩体强度的影响程度与节理裂隙的走向、倾角、密度、裂缝充填程度等有关。根据现场实测，4#煤主要有2组节理，倾向大约分别为60°和320°。倾角主要都分布在70°到90°之间，有利于顶煤的冒落。

表3 节理间距和迹长的平均值

3 模糊数学综合评价

根据宋选民在综放采场顶煤冒放性控制理论及其应用的研究中，利用模糊数学推导了冒放性综合指标值Y和各影响因素的数学关系为［9］:

式中:H为开采深度，取均值200m;Rc为煤体抗压强度，15.4MPa;Mj为夹石厚度，0.3m;Md为顶煤厚度，取均值6m;D1为煤体裂隙分维值，取1.5。经计算可得:Y=0.7469。

表2 顶煤冒放性综合指标y分类表

因此，由表2可知，4#煤层的冒放性为Ⅲ类，属于冒放性中等的程度。即其顶煤放出率一般为50～64%，开采过程应适当提高支架工作阻力，选择合理的架型和放煤参数。

4 结论

1)通过分析井工一矿4106工作面顶煤冒放相关因素可知:该煤层埋深大部分小于300m左右，埋藏较浅，不利于顶煤的冒放。煤中夹矸对顶煤的冒落影响较大，需要采取松动爆破措施以增加顶煤的冒放性。4#煤主要有2组节理，倾向大约分别为60o和320o。倾角主要都分布在70°到90°之间，这有利于顶煤的冒落。

2)运用模糊数学综合评价4#煤层的顶煤冒放性综合指标值Y为0.7469，冒放性为Ⅲ类，属于冒放性中等的程度。该种条件下放煤应适当提高支架工作阻力，选择合理的架型和放煤参数。

［1］ 靳钟铭，宋选民，康天合，等. 顶煤冒放性影响因素及分类研究［A］.//吴键编.综合机械化放顶煤开采论文集［C］.徐州:中国矿业大学出版社，1996，65 －72.

［2］ 贾光胜，樊运策.综放开采顶煤冒放性研究［A］.//吴键编.综合机械化放顶煤开采论文集［C］.徐州:中国矿业大学出版社，1996，73 －79.

［3］ 吕梦蛟.综放开采顶煤冒放性因素分析与评价［J］.山西煤炭，2009，29(3):20 －23.

［4］ 周凤燕.朝克乌拉矿综放开采顶煤冒放性研究［D］.沈阳:辽宁工程技术大学硕士论文，2010.

［5］ 赵庆彪，张振芳，王德胜.极近距离煤层整体合层综采放顶煤 (岩)技术［J］.煤矿开采，2013，18(2):22－25.

［6］ 卢国梁.两硬条件综放开采关键技术［J］.煤矿开采，2009，14(3):23 －25.

［7］ 范世民，胡学军.放顶煤开采顶煤冒放性分类及其在潞安矿区的应用［J］. 煤炭学报，2005，4.

［8］ 贾光胜，田有明，常海雷，等.王坡井田3号煤层综放开采可行性研究［J］.煤矿开采，2004.6.

［9］ 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.