王洼二矿215021工作面顶煤可放性研究及应用

王彦林

（宁夏王洼煤业有限公司，宁夏 固原 756504）

王洼二矿215021工作面顶煤可放性研究及应用

王彦林

（宁夏王洼煤业有限公司，宁夏 固原 756504）

王洼二矿以往采用的厚煤层分层综采工艺，存在巷道掘进率高、支护难度大、维护量大等问题，制约了企业经济效益的提高和矿井规模的扩大。为了探索采煤工艺变革的可行性，笔者选择该矿215021工作面为试验工作面，开展煤层的可放性研究。通过对该工作面主采的5煤物理特性指标的实验研究，笔者确定了高韧性煤层的物理力学性质，然后运用多种方法对煤层的可放性进行综合评价，并通过工程实践，确立了王洼二矿5煤综放开采工艺的可行性，经济效益显著。

高韧性；厚煤层；可放性

综放开采技术自1982年引入我国以来，获得了巨大的发展，取得了举世瞩目的成绩。人们在煤与瓦斯突出煤层、煤与顶板坚硬煤层、大倾角煤层、“三软”煤层均成功地进行了综放开采技术试验研究与推广应用。宁夏地区是我国重要的产煤区，但是部分煤层存在高韧性的特点，顶煤破碎后容易形成大块，不易放出，在一定程度上影响了综放开采工艺的应用。近年来，一些学者所针对宁东煤田高韧性厚煤层的可放性开展了大量研究，通过采取顶煤弱化等措施，成功实现了综放开采。但是，人们对于宁南煤田高韧性厚煤层可放性的研究甚少。

1 工作面基本情况

王洼二矿位于宁夏回族自治区南部，隶属于中铝宁夏能源集团有限公司。矿井以往采用的厚煤层分层综采工艺,存在巷道掘进率高、支护难度大、维护量大、开采成本高、生产能力受限等问题，制约了企业经济效益提高和矿井规模扩大。为了探索采煤工艺变革的可行性，本文以该矿215021工作面为试验工作面，开展煤层的可放性研究[1]。

215021工作面位于矿井21采区南翼第一个区段，主采的5煤平均厚度10 m左右，顶板以泥岩为主，伪顶较发育，属易冒落的二类有周期来压顶板。底板以泥岩、粉砂岩为主，抗水、抗风化和抗冻能力差，易软化，属极软弱类底板。

2 煤体物理力学性质

2.1 5煤物理力学参数测试

为了详细掌握王洼二矿5煤物理力学参数，采用微机控制RLJW-2000型岩石伺服压力试验机对底板以上3.5 m、6.5 m和8.5 m三个层位煤体进行物理力学指标测试。测试结果如表1所示。

表1 5煤物理性质测试结果

2.2 5煤韧性分析

根据原煤炭科学研究总院对大同矿区忻州窑矿、铜川矿区下石节矿、彬长矿区下沟矿、平朔矿区安家岭矿、灵武矿区磁窑堡二矿等多个综放开采不易冒落煤层工作面统计分析，笔者构建了影响煤的韧性的指标体系，它们分别为弹性模量、单轴抗压强度、拉压比、破坏前的变形量和孔隙率，可以用这五个指标来定义煤的韧性[2]。高韧性煤的定义指标如下：压拉比＜16，弹性模量/GPa＜2，单轴抗压强度＞15，轴向破坏应变＞0.015，孔隙率＞12。

通过分析可知，王洼二矿5煤底板以上3.5 m，底板以上6.5 m以及底板以上8.5 m的压拉比、弹性模量、单轴抗压强度、轴向破坏应变、孔隙率15个自然状态的指标中满足高韧性煤参考指标的仅有5个。底板以上3.5 m层位的5个指标中，满足高韧性煤的指标有2个，分别为弹性模量和单轴抗压强度，另外轴向破坏应变介于高韧性煤临界点。底板以上6.5 m层位5个指标中，满足高韧性煤指标仅有1个，即弹性模量，另外轴向破坏应变介于高韧性煤临界点。底板以上8.5 m层位5个指标中，满足高韧性煤指标有2个，即弹性模量和拉压比。

由此可知，王洼二矿5煤具有高韧性煤的部分特征，但是并不完全符合高韧性煤指标，由于顶煤弹性模量、拉压比较小，顶煤破坏前变形量大，导致煤体破坏前的挠度较大，顶板难以把支承压力传递到顶煤，顶煤可放性受到一定影响。

3 顶煤冒放性综合评价

本文采用理论分析、指标评价分析、实验分析等方法，对王洼二矿5煤冒放性进行了综合评价。

3.1 理论分析

根据我国多年生产实践，影响顶煤冒放性的因素主要有开采深度、煤层厚度与强度、煤层结构、夹矸层数及其硬度和厚度、煤层顶底板岩性及其厚度、煤与岩体裂隙发育程度等。

3.1.1 煤层赋存深度

在煤体强度（Rc）一定时，若其他影响因素参数不变，要使顶煤煤体在支承压力作用下完全破坏，根据生产实践经验，赋存深度（H）应满足下式：

按底板以上6.5 m和8.5 m层位5煤层平均单轴抗压强度Rc=13.07～13.68 MPa计算，放顶煤开采要求埋深为216～226 m，王洼二矿215021工作面5煤埋深约为370 m，满足顶煤的临界破坏条件。

3.1.2 煤层力学性质

煤体物理力学测试结果表明，王洼二矿5煤抗压强度不大，弹性模量较大，有一定韧性。顶煤破断过程中变形量较大，容易形成大块，对顶煤的冒放性有一定的影响。

3.1.3 节理裂隙

节理裂隙发育的煤层，煤体的完整性较差，整体强度下降，顶煤在支承压力作用下易于破碎。同时，裂隙越密集，顶煤越易破碎、冒放块度小，越利于放出，反之则越差。王洼二矿5煤节理裂隙发育，主要为垂直节理，有利于放顶煤冒放。

3.1.4 夹矸

开采实践证明，煤层中夹矸（单层）厚度不宜超过0.30 m，总厚度不宜超过0.8 m，其硬度f系数不应大于3，顶煤中夹矸层厚度占煤层厚度的比例也不宜超过10%～15%，否则，应采取预破碎措施。王洼二矿5煤结构简单，含夹矸0～6层，厚度在0.05～0.64 m，平均0.20 m。岩性主要为泥岩和炭质泥岩，硬度较小，煤层夹矸对放顶煤开采影响不大。

3.1.5 顶板条件

王洼二矿5煤层直接顶以粉砂岩、中粒砂岩为主，粉砂岩易软化，不耐水浸，抗变形能力较差。直接顶能够随采随冒，就顶板条件而言，有利于顶煤冒放。

因此，虽然5煤物理力学性质方面于对冒放性产生了一定的不利因素，但埋深、顶板、夹矸、节理裂隙等方面有利于顶煤冒放。

3.2 评价分析

根据顶煤冒放性评价模型，冒放性评价参数主要有以下九项。

3.2.1 采深与煤层抗压强度

5煤埋深H＝370 m，平均抗压强度Rc＝16.12 MPa。

H/Rc＝22.95。参照采深与煤层强度之比值与隶属度值表格，则其隶属度值μ1为0.85。

3.2.2 直接顶岩性

5煤直接顶以炭质泥岩为主，抗变形能力较差，能够随采随冒，其隶属度值μ2取0.9。

3.2.3 老顶岩性

5煤老顶多为粉砂岩，抗压强度大，抗变形能力强，稳定性好，属有周期来压强烈顶板，其隶属度值μ3取 0.6。

3.2.4 采放比影响

5煤平均厚度10.68 m，5煤普氏系数小于2.5，按采高3 m计算，则采放比为1:2.56，其隶属度值μ4取0.8。

3.2.5 煤层节理

5煤内外生裂隙发育，地质报告中未给出节理裂隙间距值，其隶属度值μ5暂取0.8。

3.2.6 夹矸厚度

5煤一般含0～6层夹矸，厚度在0.05～0.64 m，平均0.20 m，其隶属度值μ6取0.8。

3.2.7 夹矸层强度

5煤夹矸主要岩性为泥岩、炭质泥岩，夹矸层强度在10～20 MPa，属软弱岩层。其隶属度值μ7取0.8。

3.2.8 冒放性权重分配

顶煤冒放性影响因素权重分配如表2所示。

表2 顶煤冒放性影响因素权重表

3.2.9 冒放性评价

由表可计算出μ＝∑Aiμi=0.801 5。

顶煤冒放性分类如表3所示。

表3 顶煤冒放性分类表

由表3可以看出，5煤μ值为0.801 5，考虑到5煤具有一定韧性，顶煤破裂后可能形成大块，不易放出，综合分析5煤冒放性为中等[3]。

3.3 实验分析

采用相似模拟实验的方法从技术上对王洼二矿5煤的冒放性进行研究。主要设备有相似材料模拟实验台、Bw箔式微型压力传感器、DH3815N静态应力测试系统。

未采取顶煤弱化及切眼断顶措施时的模拟结果：模拟工作面推进过程中，顶煤及直接顶不能及时夸落，继续推进后垮落块度较大，顶煤的回收率较低。

采取顶煤弱化时的模拟结果：采取顶煤弱化及切眼断顶措施后，随着工作面的推进，老顶则周期性垮断，顶煤冒放性明显改善。

4 现场应用

鉴于王洼二矿5煤存在一定韧性，对顶煤的冒放性影响存在不确定因素。因此，在215021工作面开采试验过程中，对试验方案和采煤工艺参数进行不断的调整，并对顶煤冒放情况和回收率进行对比分析[4]。

结果表明，当采高为3.5 m时，采用两采一放，并在采取卸锚索、锚杆、金属网等措施情况下，能够取得较为理想的顶煤冒放效果，偶尔会出现大块煤情况，工作面回收率可达80%以上。在仅考虑掘进费用、回采电费、回采设备折旧费、回采材料消耗、回采人工费及搬家费用的情况下，工作面吨煤成本降低了36.4元，经济效益显著。

5 结论

（1）王洼二矿5煤韧性对顶煤冒放性存在一定影响，通过对顶煤冒放性的综合评价，笔者认为在采取必要措施的前提下，它具备采用综采放顶煤开采技术的条件。

（2）综放工艺在王洼二矿215021工作面得到了成功应用，经济效益显著，为今后中铝宁夏能源王洼矿区厚煤层采煤工艺的合理选择提供了强有力的借鉴。

（3）今后的开采试验中，可采取顶煤弱化等措施，进一步提高工作面回收率。

1 李玉民，李德荣.高韧性煤层综放开采可行性研究[J].煤炭工程，2004，（9）：14-16.

2 王家臣.厚煤层开采理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2009.

3 徐 刚.改善综放开采高韧性顶煤冒放性技术研究[D].北京：煤炭科学研究总院，2004.

4 靳钟铭.放顶煤开采理论与技术[M].北京：煤炭工业出版社，2001.

Study and Application of Top Coal in 215021 Working Face of Wangwa No.2 Mine

Wang Yanlin
(Ningxia King Coal Industry Co., Ltd., Guyuan 756504, China)

Wangwa No.2 Mine has adopted the deep coal seam stratified fully mechanized mining technology, which has the problems of high tunneling rate, large difficulty in supporting and large maintenance, which restricts the improvement of enterprise's economic efficiency and the expansion of mine scale.In order to explore the feasibility of coal mining process change, the author selected the 215021 working face for the test surface, to carry out the release of coal seam.Based on the experimental study on the physical properties of the 5 coal mining, the physical and mechanical properties of the high toughness coal seam are determined, and then the method can be used to evaluate the releaseability of the coal seam.Through the engineering practice, The feasibility and economic benefit of 5 coal fully mechanized top coal caving mining technology in Wangwa No.2 Mine.

high toughness; thick coal seam; release ability

TD823.49 文献标识码：A 文章编号：1008-9500(2017)08-0106-04

2017-07-11

王彦林（1962-），男，宁夏隆德人，高级采矿工程师，研究方向：煤矿开采。