古城煤矿综放工作面顶煤冒放性分析

许孟和，王慧杰

(潞安矿业集团公司 古城煤矿，山西 长治 046100)

潞安集团古城煤矿为国家发改委批准建设的特大型矿井，井田位于长治市西部，行政区划隶属于长子县、屯留区管辖。井田面积157.299 3 km2，批准开采3号煤层，煤层平均厚度6.33 m，设计生产能力800万t/a，属高瓦斯矿井。

为最大限度地提高煤炭回收率，简化回采管理程序，古城煤矿矿井初步设计批复的采煤工艺为大采高一次采全高。然而，根据现阶段矿井揭露的复杂地质条件和相邻矿井尝试大采高一次采全高的失败教训，古城煤矿预改变采煤工艺，探索采用综采放顶煤采煤工艺。

根据《煤炭工业矿井设计范围》(GB50215-2015)5.2.6条规定，厚煤层(大于3.5 m)采煤工作面的回采率不应小于93%(强制性条款)。因此，综采放顶煤开采能否成功在很大程度上取决于煤炭回收率的高低，而煤炭回收率的高低取决于顶煤的冒放性。

1 综放工作面顶煤冒放性影响因素分析

综放工作面顶煤冒放性，是指在矿山压力作用下顶煤体垮落和放出的难易程度。

影响综放工作面顶煤冒放性的主要因素有4个，分别为煤层埋深、煤层强度、煤层厚度、煤体节理发育程度。现结合古城煤矿3号煤层的实际地质条件，对影响顶煤冒放性的各个因素进行逐一分析[1]。

1.1 煤层埋深对顶煤冒放性的影响

煤层埋深对顶煤冒放性的影响本质上是矿山压力对顶煤的压裂作用。理论上，煤层埋藏越深，矿山压力越大，顶煤受到的压裂作用也就越大，反之越小。

一般来讲，煤层埋深小于100 m时，顶煤冒放性较差；大于400 m时，顶煤冒放性较好[2]。古城煤矿煤层埋深为583～637 m，故顶煤冒放性较好。

1.2 煤层强度对顶煤冒放性的影响

煤层强度直接影响顶煤的冒放性。一般来说，软煤(普氏系数f≤1)最易垮落，垮落块度小，块径通常在0.3 m以下；中硬煤(普氏系数f=1～2)次之，垮落块径多为0.3～0.6 m，很少有达1.0 m的；硬煤(普氏系数f>2)的冒放性最差，垮落块径1.0 m左右，其最大特点是可引起支架后方悬空顶煤[3]。

古城煤矿所采3号煤层普氏系数f=1.1，属中硬煤，较易垮落。

1.3 煤层厚度对顶煤冒放性的影响

煤层厚度对顶煤冒放性的影响是通过综放工作面采放比来完成的。过薄的顶煤相当于伪顶，随采随冒，很难控制其在支架尾部垮落，存在超前漏顶现象，如果现场管理不到位，可能引起支架倾斜，甚至倾倒。另一方面，过厚的顶煤在控顶区内，最上部顶煤很难得到充分松动，进而滞后垮落，丢弃在采空区内，造成资源浪费。

因此，一定厚度的煤层必须选择与之相配套的液压支架和采煤机，即合理确定采放比，才能保证工作面安全有效生产。

古城煤矿回采工作面预计割煤高度3.8 m，放煤高度2.53 m，采放比1∶0.67，顶煤留设较为合理。

1.4 煤体节理裂隙发育程度对顶煤冒放性的影响

煤体节理裂隙发育程度直接影响顶煤的冒放性。节理裂隙越发育，顶煤的冒放性就越好，越易于放出，反之，不易放出[4]。

古城煤矿3号煤层节理发育程度较好，节理裂隙间距达到0.25 mm，有利于顶煤的冒放。

2 顶煤冒放性的计算与评价

2.1 隶属度概念的引进

隶属度属于模糊评价函数里的概念，是对受多种因素影响的事物做出全面评价的一种多因素决策方法，其特点是评价结果不是绝对的肯定或否定，而是以一个模糊集合来表示[5]。

若论域(研究范围)U中的任一元素x，都有一个数A(x)∈[0，1]与之对应，则称A为U的模糊集，A(x)称为x对A的隶属度。当x在U中变动时，A(x)就是一个函数，称为A的隶属函数。隶属度A(x)越接近于1，表示x属于A的程度越高；A(x)越接近于0，表示x属于A的程度越低[6]。

将各隶属度代入公式μ=∑Aiμi中可计算出x对A的总隶属度。

下文将通过对各影响因素的隶属度计算，来综合评价综放工作面顶煤的冒放性。

2.2 顶煤冒放性各影响因素隶属度的取值范围

顶煤冒放性各影响因素取值范围不同，其对应的隶属度也不尽相同，表1～3为4类影响因素在不同取值范围下所对应的隶属度。

表1 开采深度与煤层强度之比值及其对顶煤冒放性的隶属度值

注：H为开采深度，m；Rc为煤层单轴抗压强度，MPa。

表2 采放比及其对顶煤冒放性的隶属度值

表3 煤层节理裂隙间距及其对顶煤冒放性的隶属度值

2.3 古城煤矿顶煤冒放性各影响因素的取值

古城煤矿3号煤层开采深度H=583～667 m，平均610 m；煤层单轴抗压强度Rc=10.66 MPa，煤层普氏系数f=1.1；工作面采放比1∶0.67；依据表1～3，各因素对顶煤冒放性隶属度μi的取值分别为：

1)H/Rc=610/10.66=57，μ1=0.95；

2) 煤层普氏系数f=1.1，工作面采放比1∶0.67，μ2=0.5；

3) 节理裂隙间距平均0.25 mm，μ3=0.85。

2.4 古城煤矿顶煤整体冒放性隶属度的计算及评价

将各隶属度代入公式μ=∑Aiμi中可计算出回采工作面顶煤整体冒放性的隶属度，其中Ai表示顶煤冒放性各影响因素的权重，如表4所示。依据顶煤整体冒放性的隶属度，顶煤冒放性分类如表5所示。

表4 顶煤冒放性各影响因素权重分配

表5 顶板垮落性分类

因此，古城煤矿工作面顶煤冒放性隶属度值为：

μ=∑Aiμi=A1μ1+ +A2μ2+A3μ3=0.81

根据计算得出古城煤矿工作面顶煤冒放性隶属度值μ=0.81，查表5可以得知，工作面顶煤冒放性好，采用综采放顶煤采煤法开采是可行的。

3 结 语

本文系统分析了影响综放工作面顶煤冒放的各个因素，通过隶属度方法对古城煤矿顶煤冒放性的影响因素进行逐一计算，并作出综合评价，最终计算得出工作面顶煤冒放性隶属度值μ为0.81，冒放等级为较易冒放。因此，古城煤矿采用综采放顶煤回采工艺是可行的。