地质因素对大阳煤矿顶煤冒放性的影响

李　晨，李　家

（山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司，山西 晋城 048003）

地质因素对大阳煤矿顶煤冒放性的影响

李晨，李家

（山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司，山西 晋城 048003）

摘要：根据顶煤冒放性的影响因素，基于模糊数学理论以地质影响因素为指标对大阳煤矿3号煤进行顶煤冒放性研究，结果表明3号煤直接顶为2类，基本顶为3级，顶煤冒放性好（Ⅱ类），对生产实践具有指导作用。

关键词：放顶煤开采；冒放性；模糊理论

放顶煤开采技术主要用于厚及特厚煤层的开采，顶煤冒放性是影响放顶煤开采效果的主要参数之一。顶煤冒放性可以理解为顶煤在上覆岩层重力和液压支架支撑压力作用下厚煤层顶部煤体冒落和放出的难易程度［1-4］。文中基于模糊数学理论，对山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司3号煤顶煤冒放性进行了研究，结果不仅可以指导该煤矿的生产实践，对于周边同样采用放顶煤开采的煤矿也具有借鉴作用。

1　矿井概况

大阳煤矿隶属山西省晋城市泽州县大阳镇，井田中心地理坐标为东经112°43′45″-112°50′37.5″，北纬35°37′30″-35°45′00″。2015年二季度末3号煤层资源储量为8 118.31万t，可采储量为3 018.81万t；9号煤层资源储量为2 001万t，可采储量为1 221万t；15号煤层资源储量为6 557 万t，可采储量为3 825万t。矿井资源储量共为16 676.31万t，可采储量共为8 064.81万t。3404工作面开采3号优质无烟煤，平均煤厚为5.72m，煤层倾角0°～15°，硬度为3，含有夹矸0至2层，走向长度1 139 m，倾斜长度220 m，井田面积250 580 m2。煤层直接底厚度9m，伪顶厚度0.5m，直接顶厚度4.3m，均为灰黑色泥岩；老顶厚度8.8m，为灰色中砂岩。井田位于太行山复背斜与沁水复向斜之间、处在晋获褶断带西侧，通过地质资料和采掘过程中矿井下揭露的情况分析获得。开采范围内较大规模的褶曲有5条，断层4条，陷落柱39个，其中岩溶陷落柱近似椭球形，其平面形态以椭圆形为主，绝大多数呈圆形或不规则形态，这些岩溶陷落柱的形态呈上小下大的倒漏斗形柱状陷落体，且呈现出大小不一的断面，井田内无岩浆岩体出露。

2　顶煤冒放性的影响因素

顶煤冒放性决定了煤层是否适用放顶煤开采方法，同时也是放顶煤开采中的一个重要开采参数。众所周知，放顶煤开采技术用于厚煤层开采，开采过程中利用采煤机割底煤，利用上覆岩层的压力和液压支架的挤压作用破碎顶煤，然后放出顶煤［5］。顶煤冒放性的好坏决定了顶煤是否能顺利放出。通常影响顶煤冒放性的因素有地质因素和放煤工艺参数因素。其中放煤工艺是主观因素，随着工艺参数的选取不同效果不同；而地质因素是客观因素，它不会随主观变化。因此在研究煤层是否可以采用放顶煤开采技术时，地质因素就显得格外重要。研究发现影响顶煤冒放性的地质因素主要有以下六方面［6］。

2.1顶板岩性

地下开采中的煤层有其顶底板，随着开采及时冒落，直接顶的冒落状态决定着是否能够充满采空区。

2.2煤层厚度

放顶煤开采中的煤层厚度一般都比较大，合理确定采放比就显得格外重要。合理的采放比会使得顶煤被全部放出后，顶板及时垮落；较小的采放比会使得顶煤与顶板矸石一起放出，增大了含矸率；较大的采放比会造成部分顶煤被遗留在采空区。

2.3开采深度

煤层的赋存深度也决定着顶煤冒放性，赋存较浅的煤层受到的上覆岩层的压力较小，赋存较深的煤层受到的上覆岩层压力较大，对顶煤冒放性是极为有利的。

2.4夹矸

夹矸是指混在矿石中的暂时无开发利用价值的岩石。对于煤体而言夹矸一般存在于煤体内部。放顶煤开采中夹矸的位置、厚度等参数也影响着顶煤的冒放性。如果夹矸位于顶煤的底部时，则在放煤过程中会先放出矸石，然后才是煤炭，增大了煤炭中的矸石含量；如果矸石在顶部煤体中间，放出的煤炭中含矸也会增大煤炭的含矸率，同时夹矸的软硬程度也影响着顶煤的放出量，较硬的夹矸影响顶煤的放出；如果夹矸位于顶煤顶部，则在外界压力扰动下会使得煤与矸石离层，促进顶煤的放出。

2.5煤内部裂隙

煤体内部裂隙是否发育在一定程度上也影响着冒放性。内部裂隙不发育的煤体强度比较大，煤体很难被破坏，内部裂隙较发育的煤体在受到外界扰动压力作用下会使得裂隙进一步贯通，很大程度上降低了煤体的硬度，内部裂隙贯通。

2.6煤体强度

人们在实践生产中发现，岩体的破碎效果有好有坏，这与岩石的硬度有很大关系，衡量硬度的大小通常用普氏硬度系数f来表示。对于煤而言，f越小，说明煤越容易被破坏，那么顶煤能够及时冒落；f越大，说明煤体越难被破坏，顶煤就不容易被破碎成合理块度，难以冒落放出。

3　评价方法

上述6个因素一起决定了顶煤的冒放难易程度［7］。根据模糊学理论，上述6个地质因素的综合隶属度F的取值可以对大阳煤矿3号煤顶煤冒放性作出评价。

可以将这6个因素用集合说明：

U=｛u1，u2，u3，u4，u5，u6｝=｛D，M，H，g，RM，σc｝.

F可以由下列公式计算得出：

式中：ui（ui）为对冒放性有影响的第i个因素的取值；wi为对冒放性有影响的第i个因素的权重。wi的取值由文献可知［7-8］：

W=（w1，w2，w3，w4，w5，w6） =（0.04，0.14，0.22，0.16，0.20，0.24）。

ui（ui）的取值根据函数通过计算得到。

1）顶板岩性D

式中：DL为煤上方老顶所处的分类号；Dz为煤上方直接顶的分类号。

2）煤层厚度M

式中：M为煤层厚度，m。

3）开采深度H

式中：H为煤层的赋存深度，m。

4）夹矸g

夹矸总厚度gh：

夹矸层中位线距底板的距离gw：

式中：gh为夹矸总厚，m；M为煤厚，m；gR为夹矸抗压强度，MPa；M1为采高，m；gw为煤层中所含夹矸与底板的高度，m。

5）煤内部裂隙RM

式中：S1为位于顶煤中的裂隙的平均间隔，m；S2为顶煤分层厚度，m。

6）煤体强度σc

式中：σc为煤体抗压强度，MPa。

根据大阳煤矿3号煤赋存条件以及煤层力学参数，代入公式（1）-（12）可求得F的取值，根据F值判断顶煤的冒放性［8］。西安科技大学索永录教授按照顶煤冒放性综合隶属度F值的大小，将顶煤垮冒难易程度分为5类，F值越小表示冒放难度越小，如表1所示：

表1　顶煤冒放性分类表

4　大阳煤矿顶煤冒放性评价

1）顶板岩性

由缓倾斜煤层采煤工作面顶板分类可知，直接顶的分类和基本顶的分级可按照表2和表3得出。

表2　直接顶分类指标

表3　基本顶分级指标

直接顶垮落步距：

基本顶初次来压当量：

式中：M1为煤层厚度，m；N为直接顶垮落高度与煤层厚度之比；Lf为基本顶初次来压步距，m；P为基本顶初次来压当量；hc为直接顶分层厚度，m；σc为直接顶单向抗压强度，MPa；C为综合弱化常数，一般取0.2～0.3；Lr为直接顶垮落步距，m。

通过煤层柱状图可知煤层厚度为5.72m，直接顶厚度4.3 m，则直接顶充填系数为1.653 8，直接顶分层厚度是2.15m，经过现场取样实验测定得出直接顶岩石单向抗压强度为24.37MPa；综合弱化常数取0.25；基本顶初次来压步距为32.6 m，代入式（13）和式（14）可知：

由Lr取值和P取值可知直接顶为2类，基本顶为3级。代入式（2）可知：

2）煤层开采厚度

从地质资料及现场钻孔测煤厚可知，3号煤赋存厚度为4.58 m～6.86m，加权平均厚度为5.72m，代入式（3）可知：

3）开采深度

从地质资料图可知，3号煤层赋存深度为340.67 m～523.63 m，则平均赋存深度为432.15 m，代入式（4）中可知：

4）夹矸影响

由地质资料图可知，3号煤层夹矸粘土页岩厚度为0.58m，夹矸层中位线距底板距离为3.96 m，夹矸的抗压强度测定与煤体抗压强度测定方法一样，其结果夹矸抗压强度为6.43 MPa，代入式（5）-式（8）中可知：

5）裂隙分布

由现场观察和取煤样分析得到顶煤中主裂隙平均间隔位0.26m，顶煤的宏观分层厚度1.04m，代入式（9）至式（11）中可知：

6）煤体强度的测定

在3404综放工作面现场取煤样，将取到的煤样进行标准切割，在实验室进行力学参数测定。

式中：P为破坏载荷，N；A为试验使用的煤样的受力面积，mm2。

测定结果，煤体平行层理的抗压强度为8.96 MPa，垂直层理的抗压强度为11.2 MPa，则平均抗压强度为10.08MPa，代入式（12）中可知：

将u1-u6计算得出的结果代入式（1）中可知：

5　结束语

通过研究发现大阳煤矿3号煤直接顶为2类，基本顶为3级，顶煤冒放性好，在开采过程中顶煤能够自然垮落，不需要采取弱化措施，为采煤工艺的选择提供了理论依据，研究结果对于周边开采3号煤的其他煤矿采煤工艺的选择同样具有指导意义。

参考文献：

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［6］王金华.中国煤矿现代化开采技术装备现状及其展望［J］.煤炭科学技术，2011，39（1）：1-5.

［7］靳钟鸣.放顶煤冒放性影响因素及分类研究［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1995：14-28.

［8］李中伟，孙茂远，李绍亮.放顶煤开采技术与实践经验［M］.北京：煤炭工业出版社，1996：10-30.

（编辑：杨鹏）

中图分类号：TD821

文献标识码：A

文章编号：1672-5050（2016）03-046-04

DO I：10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.06.014

收稿日期：2015-12-26

作者简介：李晨（1986-），男，山西晋城人，硕士，助理工程师，从事煤矿开采安全生产管理工作。

Effect of Geological Factors on Top Coal Caving in Dayang M ine

LIChen,LIJia
（Dayang CoalMine Branch，Shanxi Lanhua Technology Co.，Ltd.，Jincheng 048003，China）

Abstract：According to cavability factors，geological factors，as the indicators，were used to study the top coal caving on the No.3 coal seam in Dayang Mine based on fuzzy theory.The results show that the immediate roofof No.3 seam is type II，themain roof isgrade3，and the top coal caving isgood（type II），which could provide theguidance for the production.

Keywords：top coalcaving；cavability；fuzzy theory