榆树坡煤业综采放顶煤冒放性分析与应用

（阳泉煤业（集团）有限责任公司，山西 阳泉 045000）

1 矿井及工作面概况

山西宁武榆树坡煤业有限公司为阳煤集团下属煤矿，2012年12月投产，设计生产能力为1.20 Mt/a，矿井位于宁武县城东北约2 km处，属宁武煤田，井田面积为15.0247 km2；为低瓦斯矿井，矿井绝对瓦斯涌出量为2.12m3/min，相对瓦斯涌出量为0.96m3/t，煤自燃倾向性等级为自燃，煤尘有爆炸性。

矿井主要开采2号、5号煤层，开采标高+1480～+600 m。2号煤层平均煤厚4.5m，采用大采高一次采全厚开采工艺。5号煤位于太原组下部，煤层厚度14.28～16.92m，平均14.8m，煤层倾角5°～13°，平均9°，煤层硬度f=2，容重1.42 t/m3，煤层层理发育，结构简单，含4层夹矸，为全区稳定开采之特厚煤层，采用大采高综采放顶煤开采工艺。煤层顶板伪顶为炭质泥岩，厚度0.1～0.2m，岩性特征为黑色、含植物化石；直接顶为泥岩，厚度22.65m，岩性特征为黑色、脆而硬，含有燧石结核和黄铁矿；老顶为粉砂岩，厚度为12.49m，岩性特征灰色、矽质胶结，中厚层状。煤层底板伪底为泥岩，厚度0.2～0.4m，岩性特征为黑色泥岩，含植物化石；直接底为砂质泥岩，厚度2.6m，岩性特征为黑色，薄层状，含植物化石；老底为细砂岩，厚度8.46m，岩性特征为浅灰白色，含黄铁矿成份以石英为主。

一采区5105工作面开采5号煤层，工作面地面标高为+1375～+1457m，地表沟谷纵横，黄土覆盖，局部有岩石出露，工作面标高+970～+1126m，煤层埋藏深度为295～463 m。工作面可采走向长度1406m，倾向长177m，工业储量5160kt，可采储量为4490kt，工作面生产能力按0.80 Mt/a考虑，设计服务年限5.6 a。

2 综放工作面主要设备选型、回采工艺

2.1 主要设备选型

综放工作面主要设备选型见表1。

表1 工作面主要设备

2.2 回采工艺

采用综采放顶煤采煤方法，全部垮落法来管理顶板，采煤机割煤、装煤，放顶煤液压支架放煤，由前工作溜和后工作溜、转载破碎机、皮带机运煤，放顶煤液压支架支护顶板，实现落煤-装煤-运煤-支护等过程。

3 顶煤冒放性分析及放煤方式的确定

3.1 5号煤顶煤冒放性分析

根据顶板、煤层厚度与硬度、煤层结构与夹矸、开采深度等主要因素[1]对榆树坡5号煤层的冒放性进行分析如下：

（1）顶板对顶煤冒放性的影响

依据阳煤集团放顶煤工作面的开采经历，在开采过程中，顶煤有少部分基本顶跟随直接顶、煤炭冒落。大部分直接顶跟随顶煤随采随落填补采空区，因此直接顶厚度较厚是放顶煤开采顶煤顺利冒落的必要条件，反之顶煤回收率明显降低。从顶煤回收率和工作面矿压分析[2]，煤层直接顶最小厚度必须满足填补顶煤采出后的采空区。榆树坡5号煤层顶板结构主要为砂岩、泥岩、砂质泥岩。直接顶厚度22.65m，岩性特征为黑色、脆而硬，据其厚度分析，5号煤层的直接顶有利于放顶煤开采和顶煤冒落后顺利放出[3]。结合矿井的采掘实践，顶底板易于管理。因此，从煤层顶板看，顶煤的冒落较好。

（2）煤层厚度、硬度对顶煤冒放性的影响

依据阳煤集团放顶煤工作面多年来实测数据，例如较软的煤层顶煤跨落角度为87°～89°，顶煤放出率84%左右；中硬度的煤层顶煤跨落角度66°～68°，顶煤放出率74%左右；较硬的煤层顶煤跨落角度53°～55°，顶煤放出率为14%左右。说明煤层厚度、硬度是影响顶煤冒放性的主要因素[4]。依据顶煤的强度与破坏关系测算，当榆树坡5号煤的强度值为20MPa时，顶煤的破坏程度较高，说明顶煤冒落性较好。

（3）煤层结构对顶煤冒放性的影响

在支承压力的作用下顶煤容易破碎冒出，煤层结构节理裂隙发育越厉害，顶煤的冒放性就越好，容易采出，所以煤层结构、夹矸是影响顶煤的冒放性的直接因素，煤层夹矸比较坚硬、厚度增厚，会不利于顶煤冒落。顶煤中夹矸由于硬度支撑使顶煤难以冒落，就算顶煤冒落后，未破碎的夹矸体积较大，严重影响顶煤冒出，堵塞放煤口。因此高硬度、较厚的夹矸是顶煤冒落的不利因素。

从榆树坡5号煤5105工作面已经掘进的巷道揭露的煤层观察，煤层结构节理裂隙比较发育，因此顶煤冒放性较好。煤层含夹矸1～4层，岩性多为高龄岩、炭质泥岩和砂质泥岩，而且夹矸岩石强度相对较低，与煤层的强度基本相似，故对顶煤的冒放性影响较小。

（4）开采深度对顶煤冒放性的影响

依据国内放顶煤开采经验数据，煤矿开采深度大于300m，顶煤的冒放性较好，开采深度小于100m，顶煤冒放性较差，说明顶煤冒放性随开采深度加深而增强[5]。

榆树坡5号煤5105工作面开采深度为295～463m，从开采深度看，受地压及开采深度的影响，结合顶煤冒放性的经验数据分析得出的结论来看，工作面顶煤易破碎，则工作面的顶煤比较容易冒落。

3.2 回采工作面采放比

结合工作面的地质条件及以往的开采经验，综合考虑，榆树坡5105工作面煤层厚度平均为14.8m，机采高度适当调整为3.8m，放顶煤高度为11m，即采放比为1∶2.84。

3.3 放顶煤实际效果

按照综采放顶煤采煤法的实际生产工艺，阳煤集团放顶煤工作面主要放煤的方式有四种，为多轮顺序放顶煤、单轮顺序放顶煤、多轮间隔放顶煤、单轮间隔放顶煤。

通过对放煤工艺比较，从采煤工作面回采率、日产量、排矸量及煤质等综合考虑，确定工作面放煤方式采用单轮顺序放煤。工作面现场放煤、岩冒落，沿着分界线面均匀下落，煤炭采出率高，含矸率低，保证煤质，且充分利用放煤口面积，放煤速度快。但该操作要求支架工操作水平较高。

4 结语

综上分析，根据阳煤集团多年放顶煤开采经验，榆树坡5号煤层直接顶岩性脆而硬，据其厚度分析直接顶比较有利于放顶煤开采和顶煤冒落后顺利放出。并结合矿井的采掘实际情况，顶底板易于管理。工作面顶煤的冒放性好，非常适合采用放顶煤开采工艺；放项煤开采方法以其成本较低、效率较高、采煤工艺简单等特点，既保证了煤炭产量完成，也有利于工作面的日常管理。目前在宁武矿区的其他矿井放顶煤工作面开采中也取得了很多经验值得借鉴。