锦程煤矿10#煤层综放工作面顶煤冒放性分析

吴雪峰

（山西临汾宏大锦程煤业，山西 临汾 041000）

1 工程概况

霍州煤电临汾宏大公司锦程煤矿位于山西省临汾市尧都区平垣乡段家凹村，主采的10#煤层位于太原组下段，煤层厚度为3.8～4.6 m，平均为4.2 m。10#煤层走向240°，倾向328°，煤层倾角0°～16°。煤层顶底板岩性如表1所示，煤层上方依次为0.00～0.25 m的灰质泥岩及3.09～10.05 m的K2石灰岩，煤层下方依次为0.30～0.60 m的泥岩及2.37～4.44 m的砂质泥岩。

表1 煤层顶底板岩性

由于10#煤层厚度较大，综合考虑煤矿现有采煤设备，拟采用放顶煤采煤方法进行回采，因此，需对顶煤冒放性进行分析与探讨。

2 顶煤冒放性影响分析

影响顶煤冒放性的因素很多，主要影响因素一般选取煤层赋存深度、煤层厚度及强度、裂隙发育情况、夹矸层赋存状态、顶板岩层等[1-5]。

1）煤层赋存深度。工作面回采过程中，顶煤在前方支承压力的作用下，被压裂破碎，因此前方支承压力越大，越有利于顶煤破碎，即顶煤冒放性越好。从煤层赋存深度来看，煤层埋深越大，所受上覆岩层荷载越大，即越有利于顶煤冒放。现有研究结果表明，煤层赋存深度为400 m是煤层可放顶煤开采的临界值，埋深过小，工作面回采后，顶煤所受压力较小，破碎不充分，顶煤冒放性较差。锦程煤矿10#煤层（以下简称10#煤层）平均赋存深度为445 m，符合放顶煤煤层对赋存深度的要求。

2）煤层厚度及强度。煤层厚度太大，采放比过大，顶煤冒放性越差，按照《煤矿安全规程》要求，放顶煤开采时，采放比严禁超过1:3。10#煤层平均厚度为4.2 m，按采高1.5～2.5 m考虑，符合煤矿安全规程对采放比的要求。煤层强度越大，顶煤越难破碎，其冒放性越差，反之煤层强度越小，顶煤越容易破碎，冒放性越好。10#煤层硬度f=2.0～2.5，属中硬煤层，单从煤层强度考虑，顶煤硬度不大，较容易破碎，可以采用放顶煤工艺进行开采。

3）裂隙发育。裂隙发育程度越高，煤层越破碎，顶煤冒放性越好，反之，则不利于顶煤冒放。10#煤层孔隙率为21%～23%，裂隙发育适中，顶煤冒放性较好。

4）夹矸层赋存状态。夹矸层的厚度及所在位置都会影响顶煤的冒放性，夹矸层厚度越大，顶煤冒放性越差，夹矸层所在位置越低，越不利于顶煤的冒放。10#煤层含夹矸2-3层，厚度很小，且以泥岩、炭质泥岩为主，岩性较软，基本不会对顶煤冒放性产生太大影响。

5）顶板岩层。顶板岩层垮落后能充满采空区，则有利于顶煤冒放，反之，顶板岩层垮落高度不足，则不利于顶煤冒放。10#煤层上方顶板岩层为0.00～0.25 m的灰质泥岩及3.09～10.05 m的K2石灰岩，灰质泥岩厚度较小，不足以充满采空区，K2石灰岩厚度大，但是硬度也较大，不易垮落，因此可能会对顶煤冒放产生一定的影响。

综上所述，除顶板岩层可能会影响顶煤冒放性以外，其他因素都有利于顶煤冒放，整体看，10#煤层可以满足放顶煤开采的条件。

3 顶煤冒放性模拟分析

以10#煤层为工程背景进行模拟，煤层顶底板力学参数如表1所示。根据该矿现有采煤机及液压支架等设备，采高设计为2.4 m，放煤高度1.8 m，采放比1:0.75。借助UDEC数值模拟软件，模拟工作面回采过程中顶煤及顶板岩层变化情况如图1所示，采场受力情况如图2所示，顶煤冒落情况如图3所示。

图1 顶煤及顶板岩层变化情况

图2 采场应力分布

图3 顶煤冒落情况

如图1，当工作面回采10 m时，采场上覆顶板岩层已经开始破断、变形，并开始压裂顶煤，部分煤体已经处于冒放状态。当工作面回采20 m时，在顶板岩层破断、变形的作用下，工作面前方14～18 m范围内大量煤体处于破碎状态，冒放性良好。

工作面回采过程中，工作面前方煤壁及顶板岩层出现应力集中，在垂直应力及水平应力的综合作用下，将顶煤压裂、破碎，处于良好的冒放状态，如图2所示。

如图3（a）所示，工作面回采10 m时，顶煤裂隙发育充分，裂隙尺寸可达3～5 m，在顶板岩层的挤压作用下，顶煤被压裂、破碎，冒放性良好。随着工作面的推进，顶煤中裂隙继续发育；如图3（b）所示，当工作面回采至20 m时，裂隙尺寸可达6～8 m，在顶板岩层挤压作用下，顶煤进一步压裂、破碎，具有良好的冒放性。

图3中所产生的采动裂隙既有垂直裂隙，又有水平裂隙，呈不均匀分布状态。根据现场采煤经验，这样的裂隙容易将顶煤切碎，破碎后的顶煤很难铰接形成拱结构，所以顶煤冒放性较好。从数值模拟显示的结果可知，10#煤层顶煤冒放性良好。

4 工业试验

选择在锦程煤矿10-205工作面进行现场试验，采用放顶煤工艺进行回采，工作面主要设备如表2所示，主要技术经济指标如表3所示。

表2 10-205工作面主要设备

表3 主要技术经济指标

现场试验结果表明，10-205工作面顶煤冒放性良好；现场监测顶煤回收率高达89%，经济效益显著。

5 结语

锦程煤矿10#主采煤层厚度较厚，如采用一次采全高进行回采，矿上原有的综采设备不适用，需重新采购综采设备，投入较大。为此，提出采用放顶煤开采工艺进行回采。通过分析煤层赋存深度、煤层厚度及强度、裂隙发育情况、夹矸层赋存状态、顶板岩层等因素，认为10#煤层顶煤冒放性较好；采用数值模拟等理论方法，结果显示，10#煤层的顶煤冒放特性良好。选择在10-205工作面进行了工业试验，工程实践也验证10#煤层顶煤冒放性良好，其顶煤回收率高达89%，达到了预期效果。