2301工作面顶煤冒放性预测

李瑞金

(同煤大唐塔山煤矿有限公司，山西 大同 037001)

专题讨论

2301工作面顶煤冒放性预测

李瑞金

(同煤大唐塔山煤矿有限公司，山西 大同 037001)

结合2301工作面顶煤煤层特性，分析了影响顶煤冒放性的7个因素，着重分析了顶煤夹矸对冒放性的影响，建立了力学模型。对2301工作面顶煤进行聚类分析，并对2301顶煤冒放性作出冒放性较好的结果，预测放煤比较顺利，现场放煤过程能够验证预测结果。

冒放性预测；夹矸；聚类分析

1 工作面概况

2301工作面位于二采区最南部，所开采的是3下煤层。工作面东到地面工业广场煤柱保护线，南到F24断层，西至八里铺断层，北与2302工作面相邻，距二采区3下回风下山600 m，距南侧1301工作面230 m～530 m。工作面走向长度961.8 m～1 059.8 m，平均1 010.8 m，工作面倾斜长度为206.2 m。

本工作面井下煤层顶板标高为-499.8 m～-529.4 m，地面标高为+34.49 m，开采深度为534.29 m～563.89 m。工作面内煤层产状变化较大，断层褶曲发育，工作面中部总体为一南北向背斜构造。

工作面回采的3下煤层结构较简单，煤层厚度2.2 m～8.2 m，平均5.7 m，变异系数为24.47%。煤层倾角为2°～25°(局部)，一般为5°。西部含夹矸1层～3层，厚0.1 m～0.4 m，西部煤层起伏较平缓；东部受断层的影响，煤层倾角较大。对2301工作面煤层硬度实验结果如表1所示。由表1可以看出，煤层硬度的实验结果f=2.14。煤层的顶、底板特性如表2所示。

表1 煤层硬度实验结果表

表2 煤层顶、底板岩性特征表

2 冒放性的预测

2.1 顶煤冒放性影响因素

经过前人长期研究可知，影响顶煤冒放性的因素包括煤层开采深度、煤层厚度和硬度、密层夹矸的厚度和数量、顶煤节理发育情况、直接顶的厚度及硬度、基本顶的厚度及硬度等。顶煤的冒放性不是一种因素可以决定的，这说明顶煤冒放性的判定是多种因素综合的判定结果[1-2]。

2.1.1 开采深度

煤层的赋存深度(H)直接影响着原岩应力(γH)的大小，也影响着作用在工作面前方支承压力峰值(KγH)的大小。顶煤在矿山支承压力的作用下发生破坏。同时，考虑到长壁工作面沿平行工作面推进方向上的平面应力的变化不大，故可将其简化成平面应变模型。

根据格里菲斯强度理论，将式(1)[3]代入得式(2)。

(1)

(2)

式中：σc为煤体的单向抗压强度，MPa；f为煤体的内摩擦系数，一般取f=0.7。

式(1)即为开采深度(H)和煤体单向抗压强度(σc)之间的比例关系。

若取K=2～3，上覆岩层的平均容重γ=2.5 t/m3、f=0.7、u=0.3，并将其代入(2)式，则得到顶煤仅受支承压力作用发生破坏的开采深度，见式(3)。

H≥(28.22～95.79)σc

(3)

可以看出，开采深度H越大，顶煤临界破坏条件越容易满足。也就是说，顶煤的冒放性也越好。

2.1.2 煤层强度

煤层的强度决定着煤层本身的抗破坏能力，直接影响煤层在上覆岩层反复施加荷载及支护造成的煤层的破坏程度，煤层越硬，抗破坏能力越强，冒放性也就越差[4]。

2.1.3 煤体弱面性质

煤体弱面是煤体层理和节理裂隙的总称。煤体弱面的发育程度，不但影响着煤体的完整性，而且对顶煤的冒放性也有较大的影响。弱面性质的主要衡量参数有弱面的密度、倾向、倾角、迹线的持续长度等，这些参数集中反映了煤体弱面的空间分布状态。只有煤体弱面发育且呈网状结构分布，才有利于顶煤的冒放。

2.1.4 煤层夹矸

煤层中含有夹矸是该矿煤层赋存的一大特色。夹矸的硬度计层数直接影响顶煤的破碎程度、冒放性，同时直接影响放煤的含矸率。工作面推进过程含夹矸的顶煤冒放过程可见图1(a)，中部夹矸可视为一悬臂梁结构，如图1(b)所示[5]。

悬臂梁的最大弯矩为式(4)。

(4)

悬臂梁的最大拉应力为式(5)。

(5)

令σ大于等于夹矸层的抗拉强度Rt，则式(5)变为式(6)。

(6)

单位统一后，式(6)变为式(7)。

(7)

式中：l为夹矸层悬臂最大长度，m；γ矸为夹矸层的容重，KN/m3；γ煤为顶煤的容重，kN/m3；h煤为夹矸层上部的顶煤厚度，m；Rt为夹矸层的抗拉强度，MPa；H为夹矸层的厚度，m。

夹矸层的悬臂长度一般取1 m左右，经过支架反复支撑，可以满足冒放性要求，则式(7)可演变成式(8)。

(8)

式(8)中，Rt为夹矸层的抗拉强度。Rt可以通过实验室测定，也可以用(9)式估算。

(9)

式中：Rc为夹矸的单轴抗压强度，MPa；K为裂隙系数，一般砂岩取K=0.7，页岩取K=0.45。

为了确定夹矸层的临界厚度，应取Rc的最大值计算。根据该矿的岩层性质，砂岩的Rc取50 MPa。页岩的Rc取30 MPa。这样，砂岩和页岩的Rt分别为3.5 MPa和13.5 MPa，夹矸的容重γ矸=25 kN/m3，煤的容重γ煤=13.5 kN/m3。

随着夹矸层上部煤层厚度的增大，夹矸层的临界厚度也逐渐增大，其变化规律如图2所示。

图2 临界夹矸层厚度变化规律

2.1.5 煤层顶板

煤层的顶板一般包括直接顶和老顶。直接顶一般强度不大，能够随着顶煤的冒落而破碎冒落，造成顶煤落煤夹矸。老顶一般不易破碎，对顶煤的破裂有不利影响，但其坚硬的性质会形成较高的支承压力，有利于前方顶煤预裂隙的形成。因此，有利于顶煤的冒放性。

2.1.6 采放比

采放比对顶煤冒放性的影响主要体现在2方面：1) 支架对顶煤影响的高度。研究表明，支架影响范围一般在支架上方的2 m～3 m；2) 影响顶煤破裂过程中体现出来的碎胀性。因此，顶煤冒落后能充分松散的采放比为式(10)。

(10)

式中：K为采放比；mg为工作面割煤高度，m；h为支架放煤口高度，m；ks为煤的破碎松散系数。

2.2 顶煤冒放性的聚类分析

由于顶煤冒放性是各种因素综合作用的结果，各种因素对顶煤冒放性的影响程度不相同，在衡量各因素影响程度时存在着许多模糊因素，因此，在本文中对顶煤冒放性的评价采用模糊综台评价技术[6]。

2.2.1 评价指标体系的建立与取值

虽然影响顶煤冒放性的因素很多，但根据其影响程度，在本文的研究中取煤层硬度、开采深度、弱面性质、煤层夹矸、直接顶、老顶和采放比7个主要因素作为综合评价的指标体系。各指标的取值方法如下：

煤层硬度(X1)：取煤层的普氏硬度系数(f)。

开采深度(X2)：以m为单位。

弱面性质(X3)：弱面性质主要是指煤体弱面的发育程度。弱面的发育程度难以在现场直接量测得到，一般可根据工作面和顺槽所揭露的煤体综合观测煤体弱面的发育程度。

夹矸层(X4)：取比煤硬的最厚的一层夹矸层的厚度。

直接顶(X5)：直接顶对顶煤冒放性的影响主要体现在直接顶对采空区的充填程度，取值如式(11)。

(11)

式中：Kp为直接顶的破胀系数；∑h为直接顶的厚度，m；m为煤层厚度，m。顶煤弱面发育程度取值表见表3。

表3 顶煤弱面发育程度取值表

老顶(X6)：取老顶的级别。

采放比(X7)：采放比按(12)式计算。

(12)

式中：mf为工作面的放煤高度，m；mg为工作面的割煤高度，m。

2.2.2 指标权重的建立

虽然在研究过程中我们己从影响顶煤冒放性的众多因素中选择了7个影响程度较大的因素，并对某些因素的影响进行了分析，但这些因素对顶煤冒放性的影响程度并不相同，这种影响程度的差异通常用指标的权重来表示。根据多年来从事放顶煤开采研究和实践的专家及工程技术人员的调查，并结合以往的研究成果，采用适当的数学归纳方法，整理出各指标对顶煤冒放性影响程度(权重)，如表4所示。

表4 各影响因素的重要性排序及权重表

由表4可以看出，煤层硬度和弱面性质对顶煤冒放性的影响很大，而其他几项指标的影响程度相对较弱。

2.2.3 评判标准的建立

顶煤冒放性的衡量标准是对顶煤冒放性进行分析的基础，同时又是一个难以用定量标准来衡量的多因素综合作用的定性指标。为了直观地对顶煤冒放性作用作出判断，在本文的研究中仍然采用传统的4个类别分类法。各个类别的冒放性如表5所示。

2.2.4 模糊聚类分析

由于影响顶煤冒放性指标中有些指标的取值具有一定的模糊性，因此，在对顶煤冒放性的预测中，我们采用了传统的模糊聚类分析法。同时，由于这

表5 顶煤冒放性的衡量标准表

些指标在取值过程中，有的指标值越大对顶煤的冒放性越有利，有的指标值越小对顶煤的冒放性越有利，并且不同的指标具有不同的量纲值，所以在聚类分析时，首先对各指标值进行了无量纲化。由于模糊聚类分析是一种成熟的分析方法，所以其聚类中心的建立在此不再赘述。

2.3 2301工作面顶煤冒放性预测

采用所建立的模糊聚类方法，结合2301工作面的特点，对其5个样本的冒放性进行了预测，其预测结果如表6所示。

表6 2301工作面顶煤冒放性预测结果表

3 结论

通过上述预测结果可以看出，2301工作面大部分条件下顶煤的冒放性都属于II类，即顶煤能够自行垮落，并能够比较顺利地放出。当然，有时出现大块卡口现象，但如果支架操作得当，并不影响放顶煤开采的实施。2301工作面的开采实践证明，对顶煤冒放性的预测结果能够客观地反映出2301工作面的实际情况，说明预测结果是可靠的。

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Prediction of top coal caving in 2301 working face

LI Ruijin

(Datong Coal Mine Datang Tashan Coal Mine Co., Ltd., Datong Shanxi 037001, China)

Combined with the 2301 top coal seam characteristics,this paper analyzes 7 factors influencing the caving ability of top coal, focuses on the influence of top coal gangue on cavibility, and establishes mechanical model. The cluster analysis of top coal in 2301 working face is provided.The results show that the caving property of top coal caving in 2301 working face is good.And the prediction of the coal caving is smooth. The top coal caving process verifies the prediction results.

prediction of caving; gangue; cluster analysis

2016-11-09

李瑞金，男，1987年出生，2011年毕业于重庆大学采矿工程专业，助理工程师，现在同煤大唐塔山煤矿有限公司工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.01.17

TD82

A

1004-7050(2017)01-0055-04