综放工作面浅埋深特厚煤层顶煤冒放效果分析

段春生

（山西省晋神能源有限公司，山西 沂州 036500）

1 概 况

磁窑沟煤矿井田内13号煤层厚度2.91～19.2 m，平均厚度11.5 m，该煤层在东部与北部存在分层现象。分成区域内13号煤层上距13-1煤层0.85～9.06 m，平均距离为1.56 m，分层区域内13号煤层平均厚度为10.9 m。13号煤层位于太原组下部，单轴平均抗压强度为18.4 MPa，单轴平均抗拉强度为1.03 MPa，属于中硬煤层。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、细砂岩，底板为泥岩，并含有少量砂质泥岩。该矿为低瓦斯矿井，煤尘具有一定爆炸危险性。

2 工作面顶煤冒放性分析

2.1 煤体强度影响分析

根据文献，煤体单轴抗压强度R c与顶煤冒放程度呈反比，顶煤垮落角α与R c呈反比，因此，可知顶煤垮落角与顶煤冒放效果呈正比关系，即顶煤垮落角越大，工作面放煤效果越好。磁窑沟煤矿13号煤层普氏硬度系数为1.8，该煤层对应的顶煤垮落角为75°。13号煤层厚度平均值11.6 m，采高4 m，经计算α＞64.2°即可满足顶煤垮落技术要求，13号煤层α=75°＞64.2°，因此，磁窑沟13号煤层如采用综放开采，工作面顶煤冒落情况较好，满足顶煤回收要求。

2.2 煤层埋深影响分析

13号煤层顶煤单元体受力的3个主应力分别为：

随着煤层深度H增加，各主应力都随之增大，其中以垂直方向主应力增大最为明显，使顶煤受压显著增加，引起顶煤内部产生裂隙并扩展至相互贯通，煤层抗剪强度降低，最终冒落。回采过程中σ2保持定值，因此，单元体受力模型可简化成平面应变模型进行分析，依据理论公式可得：

顶煤若满足冒落要求，应满足式（3）。将（1）式代入可得：

式中：γ为岩层平均重度，t/m3。

将γ与泊松比μ的关系代入，13号煤层的泊松比μ=0.34，可得：

K值取3.5，重度γ取2.5 t/m3，代入可得：

煤层埋深与冒放效果呈正比。13号煤层Rc取18.4 MPa，计算埋深应大于263 m，才能保证冒落效果。依据现场地质资料，13号煤层埋深26～289 m，部分区域埋深小于263 m，顶煤受到的压力未能满足冒放要求，破碎不充分，放煤效果差。

2.3 煤层夹矸影响

根据磁窑沟煤矿地质调查报告以及钻孔钻探结果可知[5-6]，13号煤层含有多层夹矸，主要为泥岩、砂质泥岩，单层夹矸厚度在0.1～0.7 m，总夹矸厚度为1.9 m。夹矸由于与煤层形成弱面，增加了岩石破碎的程度，对于顶煤冒落具有促进作用。根据文献，夹矸厚度大于1.5 m的煤层，顶煤滞后于大块矸石冒落到工作面采空区中，无法利用后部刮板输送机进行回收。13号煤层单层夹矸厚度均小于1 m，满足顶煤回收的要求，可以直接利用后部刮板运输机进行运输回收。

2.4 顶板岩性影响

在工作面进行综放回采过程中，需要求直接顶及时垮落，进而填充工作面采空区，根据文献及实践经验，工作面直接顶最大厚度计算：

式中：Σhmin为最大直接顶厚度，m；M为煤层厚度，m；Kp为膨胀系数，一般取1.35。

13号煤层平均厚度为11.5 m，代入可得直接顶最大厚度为8.6 m。根据地质条件，13号直接顶厚度在5 m以下，可随工作面的推进及时冒落，不影响顶煤回收。

2.5 采放比影响

采放比是影响顶煤放煤效果的重要因素之一，为使工作面顶煤充分冒落，需满足下式：

式中：ks为松散系数；M为采高，m；mf为放煤高度，m；h′为支架放煤口高度，m。将13号煤层工作面参数代入公式（8）得采放高度比，见下式：

计算可知，最小采放比为0.38，放煤高度应在10.53 m以下。13号煤层放煤高度为7.5 m，满足冒落高度要求，因此，顶煤可以充分冒落。

3 冒放性数值模拟分析

采用FLAC3D软件对13号煤层工作面顶煤冒落情况进行分析，模型尺寸依据13号煤层工作面实际尺寸，建立模型尺寸为500 m×500 m×100 m，模型如图1所示。煤层顶、底板岩层厚分别为64 m、20 m，煤层平均厚度11.5 m。未能模拟的上部覆岩采用恒荷载代替，取4.9 MPa。岩层节理面采用INTERFACE板块设置，支架采用BEAM单元，支护强度设为1.3 MPa。

图1 1 3号煤层数值模拟模型Fig.1 Numerical simulation model of No.13 coal seam

3.1 顶煤破坏分析

随着回采工作面的推进，顶煤的破坏过程如图2所示。可以看出，当工作面推进10 m时，顶煤整体破坏达3 m，其中剪切破坏的高度为0.5 m；工作面继续推进至30 m时，剪切破坏的程度急剧增加，顶煤剪切破坏至4.5 m，波及范围进一步加大；工作面推进至50 m时，顶煤完全剪切破坏，顶板开始破坏至0.5 m；当工作面开采至70 m以上，煤层破坏高度平均达8.6 m，超过顶煤厚度。

图2 1 3号煤层顶板破坏演变示意Fig.2 Evolution of roof failure of No.13 coal seam

3.2 应力分布规律

煤层围岩垂直应力分布如图3所示。由图3可知，在工作面推进至10、30、50 m时，应力峰值位于煤壁前方3 m处，分别达12.49、12.92、12.34 MPa，但没有出现明显应力集中现象。因此，工作面前50 m回采期间，由于顶煤破坏程度较小，顶煤冒落效果不佳。当工作面推进至70 m时，顶煤应力集中现象开始逐渐明显，顶煤冒落效果逐步改善，随着工作面的继续推进，应力峰值位置不变，但由于顶煤被完全破坏，冒放效果较好。因此，在工作面推进距离小于50 m时，冒落效果不佳，需对顶煤采取弱化措施，保证顶煤冒放效果。

图3 1 3号煤层应力分布Fig.3 Stress distribution of No.13 coal seam

4 结 论

（1）通过对煤层岩性及理论计算分析可知，13号煤层顶煤达到理想冒落效果需满足顶煤垮落角大于64.2°，埋深大于155 m，夹矸厚度小于1 m，采放比高于0.38。

（2）通过对13号煤层回采过程的顶煤破坏过程数值模拟可知，工作面初期回采期间，由于顶煤破坏程度较小，顶煤冒落效果不佳。在工作面回采50 m以内，需要人工进行弱化处理。当工作面推进至70 m时，顶煤应力集中现象开始明显，顶煤冒落效果逐步改善，冒放效果较好。