放顶煤开采顶煤冒放性研究

陈利伟

(汾西矿业贺西煤矿，山西 柳林 033300)

引 言

相比大采高综采，放顶煤综采具有很多优势，如，采出率高；对煤层厚度、顶底板适应性强；煤壁片帮强度低；工作面“三机”易于管理，设备安装、维护容易；工作面搬家容易等[1-2]。因此，针对柳湾煤矿11#厚煤层产状分布不均、底板泥岩遇水膨胀变软的特征，柳湾煤矿决定采用综采放顶煤法采煤。本文以61107综放工作面为工程背景，开展了综放工作面顶煤冒放性研究。

1 工程概况

柳湾煤矿11#煤为主采煤层，均厚4.35 m，煤层倾角2°～5°，平均3.5°，呈背向斜相间构造，其中，61107综放工作面长度180 m，两侧平巷长1 544 m(至停采线位置),可采储量1.439 Mt，采用综采低位放顶煤法采煤，采高2.5 m。11#煤顶底板围岩特性如表1所示。

表1 61107综放工作面煤层顶底板围岩特性表

2 顶煤冒放性影响因素

2.1 开采深度

总体而言，顶煤冒放性随开采深度增加而加强。当开采深度<100 m时，顶煤冒放性差；当开采深度>300 m时，顶煤易于冒落，但开采深度对顶煤的冒放性影响程度逐渐减弱。根据柳湾煤矿地质勘探知，61107综放工作面埋深195 m～267 m，平均240 m，因此，从开采深度看，顶煤易于冒落。

2.2 煤层厚度、硬度

据资料显示，关于放顶煤开采煤层厚度其最大临界值为12.5 m～15.0 m，当顶煤过厚时其上部难以充分松动，冒放性随煤层厚度的增大而减弱[3]。

国内大量关于放顶煤开采的研究表明，煤层硬度是影响顶煤冒放性的关键因素。煤层较软(f<1)时表现为冒落块小，多为小于0.2 m～0.3 m，柱状冒落，椭球体放出，可放性好；中硬煤层(13)表现为常见大于1 m冒落块，拱桥冒落，抛物体式放出，冒放性差。通常，当煤的抗压强度值大于20 MPa时，顶煤的破坏程度较低，其冒落性较差。

据柳湾煤矿11#煤层地质报告，该煤层均厚4.35 m，大都具有条带结构，金属光泽，次为金钢光泽，硬度大，脆度小，煤的单轴抗压强度为12.7 MPa，因此，顶煤冒放性较好。

2.3 煤层节理裂隙

煤层节理裂隙发育程度直接影响顶煤的冒放性。具有节理裂隙发育的煤层，顶煤在支承压力的作用下易于破碎。当节理裂隙越发育，顶煤的冒放性就越好，越易于放出。

从61107工作面巷道掘进时揭露的煤体看，煤体内生节理和外生节理较发育，因此顶煤冒放性较好。

2.4 煤层夹矸

煤层中的夹矸，尤其是厚而坚硬的夹矸，将会严重影响顶煤的冒放性[4]。一方面，夹矸在顶煤中形成“骨架”，使顶煤不易垮落；另一方面，夹矸易形成大块，影响顶煤冒放过程中的流动性，且易堵口使顶煤无法放出。

根据61107综放工作面地质说明书，工作面内煤层赋存稳定可采，含夹矸3层，总厚0.02 m～0.20 m，结构一般较简单，夹矸成份多为炭质泥岩或泥岩，抗压强度仅为8.5 MPa，略小于煤体强度，对顶煤的冒放性影响很小。

2.5 煤层顶板

影响煤层冒放性的煤层顶板包括直接顶和老顶两部分。直接顶能够随采随冒，冒落的直接顶若能充满采空区，将减小顶煤丢失在采空区的量，提高采出率。老顶对煤体的超前支承压力使得煤体欲裂破碎，利于顶煤的冒放性[5]。

3 顶煤冒放性影响因素评价

3.1 顶煤冒放性影响因素评价

加权法综合考虑煤层冒放性影响因素，各影响因素权重分配见表2。

表2 顶煤冒放性影响因素权重分配

1) 采深与煤层强度之比值影响评价

采深与强度之比H/Rc=240 m/12.7 MPa=18.9 m/MPa，依据表3可知，隶属度u1=0.8。

表3 采深与煤层强度比值与隶属度值

2) 直接顶岩性影响评价

该工作面直接顶初次来压步距8.0 m，直接顶类别为Ⅰ类(不稳定)，根据表4可知，隶属度u2=0.9。

表4 直接顶岩性与隶属度值

3) 老顶影响评价

老顶初次来压时的循环末阻力Pmo计算见式(1)。

Pmo=305.6+71.7M+1.67L0-25.3N

(1)

老顶来压强度当量DH计算见式(2)。

DH=L0-15.2N+42.9M

(2)

式(1)、式(2)中：M为采高，m；L0为老顶初次垮落步距，取30 m；N为直接顶充填系数，N=直接顶厚度h1/采高m=1.93 m/2.5 m=0.77。

Pmo=125，依据表5可知，隶属度u3=0.6。

表5 老顶级别与隶属度值

4) 采放比影响评价

61107工作面采高2.5 m，放煤高度为1.85 m，采放比1∶0.74，工作面煤体强度f为1.27，根据表6可知，隶属度u4=0.5。

表6 采放比与隶属度值

5) 煤层节理裂隙间距影响评价

通过煤体力学性能试验，得出煤体强度为12.7 MPa，根据表7可知，隶属度u5=0.85。

表7 煤层节理裂隙间距与隶属度值

6) 夹矸层厚度影响评价

61107工作面顶煤部分区域含一层泥岩夹矸，厚度为20 mm～200 mm，根据表8可知，隶属度u6=1。

表8 夹矸层厚度与隶属度值

7) 夹矸层强度影响评价

该工作面顶煤仅部分区域含一层薄泥岩夹矸，且夹矸强度为8.5 MPa，根据表9可知，隶属度u7=1。

表9 夹矸层强度与冒放性隶属度值

3.2 顶煤冒放性综合评价

加权法综合考虑煤层冒放性影响因素，则u为：

u=∑Aiui=0.23×0.8+0.12×0.9+0.1×
0.6+0.14×0.5+0.14×0.85+0.12×1.0+
0.15×1.0=0.811

表10为顶煤冒放性分类表，由表10可知，柳湾煤矿61107综放工作面顶煤冒放性好。

表10 顶煤冒放性分类

4 结论

本文以柳湾煤矿61107综放工作面为研究对象，采用加权法综合考虑煤层开采深度、顶板岩性、采放比、煤层节理裂隙、夹矸厚度及强度，得出了顶煤冒放性好的结论，为该煤矿放顶煤开采提供了理论依据。