黑岱沟露天矿边帮压煤顶煤冒放性研究

李 岚

（中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110015）

黑岱沟露天矿边帮压煤回收区煤层埋藏深度为50～150 m，平均厚度30.42 m，属于浅埋特厚煤层开采。综放开采顶煤煤体的破坏发展经历顶煤煤体破裂及失稳演化直至形成宏观破坏和失稳的过程，顶煤煤体的冒放过程是动态损伤与变形的过程，而黑岱沟浅埋深条件下矿压破煤作用有限，其特厚煤层顶煤能否实现有效破碎和顺利放出，是关系到煤层能否高效回采的核心问题。因此，结合黑岱沟露天矿边帮压覆的浅埋特厚煤层赋存特点，对浅埋边帮特厚煤层顶煤冒落规律进行研究，对确保放顶煤开采工作面的高回收率开采具有重要的意义。

1 工程概况

黑岱沟露天矿边帮压煤回收区主要回采煤层1层，即6#复合煤层。6#复合煤层含6Ⅰ～6Ⅵ共计6 个煤层，煤层总厚10.51～36.21 m，平均30.42 m；纯煤厚9.81～31.74 m，平均25.5 m；夹矸厚0.70～9.05 m，平均4.61 m，夹矸率平均15%。埋藏深度50～150 m，煤层硬度偏大，煤层硬度系数f=1～3。

6#复煤层顶板岩性变化较大，以黏土岩、泥岩为主，有时为砂岩或粗粒砂岩，底板一般为泥岩、粉砂岩。边帮压煤回收区煤层结构十分复杂，夹矸可达20 多层，夹矸岩性为黏土岩或泥岩、炭泥岩。此厚煤层有较为显著的分岔现象，在中间常夹有巨厚的砂体，因砂体发育导致煤层厚度变小。其他薄煤层稳定性差，发育范围小，尖灭现象普遍，常呈零星分布。

根据黑岱沟露天矿边帮下压煤区井工开采的需要，现场采样后，采用WAW-300C 电液伺服万能试验机进行煤岩单向抗压强度试验，单向抗压强度的试验结果见表1。

2 顶煤冒放性分析

2.1 煤层抗压强度对顶煤冒放性的影响

顶煤在压力作用下的破坏、破碎的过程和程度与煤层的单向抗压强度RC有关，故煤层单轴抗压强度对顶煤冒放性的好坏起着至关重要的作用。通过对矿井综放开采工作面的现场实地观测，煤层的单轴抗压强度RC值越大，也就是说顶煤越硬，顶煤的垮落角就越小。结合顶煤冒落运动的规律，顶煤垮落角较小是对顶煤的放出不利的。煤层的硬度系数与顶煤垮落角的关系如图1。

表1 煤岩单轴抗压强度试验结果

图1 煤层的硬度系数f 与顶煤垮落角的关系

6#号煤煤样经物理力学试验得出煤层抗压强度5.71～17.85 MPa，属于软-中硬煤层。

由图1 可知，6#号煤层顶煤垮落角约65°～115°，按煤层开采厚度30.42 m、割煤高度4.3 m、综放液压支架的顶梁后端到支架后刮板的后内边沿宽度3.53 m，顶煤合理的垮落角82.3°。不应小于82.3°。

可知：煤层的实际垮落角处于合理垮落角之间，垮落后的顶煤绝大部分可以落在支架的放煤口，针对局部未回落顶煤，可对顶煤进行弱化处理，以实现顶煤的顺利垮落。

2.2 顶煤节理裂隙对顶煤冒放性的影响

一般岩体都会不同程度地含有构造或地质弱面，如：节理、层理、裂隙、褶皱和断层等，煤层亦是如此。这些弱面的存在导致岩体的强度被严重削弱，进而使岩体的变形性增加。通过现场实地的观测和研究，地质弱面中煤层的节理、层理及裂隙对综放的顶煤冒放性影响最大。煤层节理裂隙发育，煤体的完整性也就较差，整体强度就会下降，在支承压力作用下顶煤也易于破碎。并且裂隙越密集，顶煤也越容易破碎、冒放顶煤的块度也就越小，越有利于顶煤的放出，也就是说顶煤的冒放性越好，反之则顶煤的冒放性越差[3]。

根据煤层地质报告及现场观测可知，边帮压煤回收区6#号复合特厚煤层为裂隙较发育软-中硬煤层，因此，从裂隙角度分析，有利于顶煤冒放。

2.3 煤层夹矸对冒放性的影响

煤层夹矸对顶煤冒放性的影响较复杂，其影响的程度与夹矸层的岩层性质（即硬度）、层数、层厚和空间的位置都有关。当夹矸层比煤软时，这个夹矸层就成了煤层的弱面，夹矸的存在就有利于顶煤破碎冒落及放出，增加了顶煤的冒放性会增加，这种夹矸层的岩性越软、层数越多、层厚越大，顶煤冒放性就会越好；当夹矸层比煤硬时，就不利于顶煤的冒放，即冒放性不好。实践证明，煤层夹矸对顶煤冒放性的影响程度主要因素为单层夹矸厚度，当存在大于300 mm 厚度的单层夹矸时，夹矸的性质将直接决定煤层的冒放性。

黑岱沟露天矿边帮压煤的6#号复合煤层组成结构较复杂，一般含夹矸11 层，夹矸单层厚度以0.3 m 以下居多，岩性多以泥岩主，夹矸单轴抗压强度在19.17～26.16 MPa。因此，夹矸的存在不仅不会弱化顶煤的回收，相反，其与煤层间形成的弱面有利于顶煤的顺利垮落及回收。

2.4 顶板条件对顶煤冒放性影响

煤层顶板由直接顶和基本顶组成。直接顶会影响顶煤的垮落运动过程，放顶煤开采顶煤破碎垮落后顺利放出的基本条件是直接顶能够随采随冒并具有一定的厚度。如果直接顶滞后垮落或垮落厚度较小，都会导致破碎垮落的顶煤向放出体以外的采空区垮落，造成顶煤由于不能放出而丢失。同时当随采随冒的直接顶垮落后的充填高度较小时，在采空区出现空洞，不但丢煤，而且积聚瓦斯，又有漏风，一旦发生瓦斯爆燃或爆炸，必然波及到工作面，造成严重事故，且在采空区易形成大面积悬顶，造成飓风[4]。

直接顶对顶煤冒放性的影响表现为2 方面：一方面是要能随采随冒；一方面是垮落后要有一定的厚度（即对采空区充填的程度）。根据研究，综放时要求能随采随冒的直接顶最低厚度为：

式中：∑hmin为能随采随冒的分层厚度之和，m；M 为采煤的高度，m；Kp为岩石碎胀系数，一般取1.25。

在6#号煤层采放高度30.42 m、回收率68%、岩石碎胀系数取1.25 的情况下，计算得出综放开采要求的最低直接顶厚度为16.55 m。

根据西帮X007 线剖面，对煤层上覆117.5 m 厚基岩结构进行分析可知，顶煤上方为1.0 m 泥岩、3.7 m 细砂岩、4.5 m 泥岩及2.7 m 的5#煤，之上为23 m 的粗砂岩；从南帮N002 线剖面可知，煤层上覆顶板为1.7 m 粉砂岩、0.9 m 细粒砂岩、1.2 m 粉砂岩、5.5 m 泥岩、3.3 m 的5#煤及泥岩、7 m 粗粒砂岩。分析可知煤层上覆岩层多以砂岩、泥岩为主，其普氏硬度小（多在3 左右）、厚度薄，从周边矿区同煤层开采实践可知，上覆顶板可以随采随垮。垮落高度满足综放开采要求。

同时，数值模拟分析表明，初采期间及正常回采期间，煤层上覆岩层随采随垮，垮落高度达到45 m，满足综放开采对顶板垮落要求[5]。另外，在初采期间采用顶板预弱化，进一步保证了顶板及时垮落[6]。顶板不同垮落高度示意图如图2 。

图2 顶板不同冒落高度示意图

3 综放开采顶煤冒放性类比分析

选取周边同采6#号煤层的酸刺沟、黄玉川、不连沟煤矿，从埋深、煤层厚度、硬度、夹矸、顶板条件等方面对顶煤冒放性进行类比分析，周边矿区煤矿同煤层开采情况对比见表2 。

表2 周边矿区煤矿同煤层开采情况对比

从表2 中可以看出，不连沟煤矿最大煤层厚度35.5 m，平均厚度16 m，据了解实际采放比为1∶3，冒放性较好。试验区煤层最大厚度36.21 m，平均厚度30.42 m，虽然试验区存在埋深较浅、矿压小等不利因素，但经过采取顶煤爆破及水压致裂等弱化措施后[7-8]，冒放性将得到显著改善，预计采放比为1∶3.5～1:5.0。

4 结论

通过顶煤影响因素及类比分析可知，黑岱沟露天煤矿边帮压煤回收区6#号复合煤层顶煤冒放性较好，但鉴于煤层厚度大，埋深较浅的赋存特性，开采过程中存在局部冒放差的可能性，顶煤中上部存在冒放性较差或块度较大的可能。为提高顶煤冒放性，最大限度的回收煤量，当顶煤冒放性较差时，可采用两巷超前预裂爆破手段以提高顶煤回收率。