坚硬特厚煤层放顶煤可行性分析

2022-11-12彭奎栋

山西冶金 2022年6期

彭奎栋

（晋能控股煤业集团马道头煤业有限公司，山西大同 037000）

大同矿区赋存有大量煤质坚硬、煤层厚度为9～15 m的石炭二叠系特厚煤层，这类坚硬特厚煤层非常适宜采用放顶煤技术进行开采[1]，然而开采过程中易受各种因素的影响从而导致冒放性差等问题。因此，研究顶煤冒放性影响因素进而分析大同矿区特厚煤层放顶煤可行性显得尤为重要。

1 工程背景

1.1 工程概况

8406工作面开采3～5号煤，3～5号煤层平均厚度19.68 m，由下方的5号煤层和上方的3号煤层共同组成，5号煤层与3号煤层间距除个别区域外相对较小，3～5号煤层平均倾角5°，煤层埋深290～310 m，硬度f=3，煤层结构稳定，内生裂隙较发育。工作面走向长度为2 095 m，宽度为241 m。工作面位于北四盘区最南侧，西侧为北五盘区，东侧为北四盘区辅运大巷，北侧为规划中8405工作面，南侧为F98断层防水煤柱。图1为工作面顶底板柱状图。

图1 工作面顶底板柱状图

1.2 工程问题

由工程概况可知，8406工作面顶底板岩层及煤层的普氏系数均较大，且煤层厚度在11～25 m的范围内，工作面属于坚硬特厚煤层工作面，选取放顶煤开采技术前，需分析顶煤冒放性各影响因素，对8406坚硬厚煤层工作面顶煤冒放可行性进行评价。

2 顶煤冒放性影响因素

根据多年来，我国综采放顶煤采煤工艺经验的积累及研究，顶煤冒放性的最主要影响因素包括煤层强度、煤层赋存深度、顶煤节理裂隙发育程度、顶煤夹矸情况、顶板及采放比[2-3]。通过分析影响顶煤冒放性的各主要因素，确定各因素的影响程度。

1）煤层强度：煤层强度是影响顶煤冒放性的最关键因素。强度越低越容易破碎放出，软煤（普氏硬度系数f＜1）最易冒落；中硬煤（普氏硬度系数f=1～2）次之；普氏硬度系数f＞2的煤冒放性最差[4]。

2）煤层赋存深度：煤层赋存深度（H）既影响着原岩应力（γH）大小，同时也影响着回采面四周围岩内残余支承压力峰值（kγH）的大小。煤层赋存深度是影响顶煤冒放性的关键因素。赋存深度越大，煤体所受的原岩应力越大，越容易破碎并放出[5]。

3）顶煤的节理裂隙发育程度：顶煤的节理裂隙发育程度代表顶煤自身结构的破碎情况，顶煤破碎程度越大，回采过程中越容易放出。因此，顶煤的节理裂隙发育程度是影响顶煤冒放性的次要因素。

4）顶煤夹矸情况：夹矸是指夹在煤层中的其他岩层（多为泥岩）。煤层夹矸对顶煤冒放性的影响比较复杂，其影响程度与矸石层的岩性（即硬度）、层厚、层数及空间位置有关。若煤层中的夹矸较为坚硬，则会分担顶煤受力，加大顶煤破碎难度；若夹矸层较厚，在顶煤垮落后夹矸会形成大块，影响顶煤的流动性，堵塞放煤口。因此，顶煤夹矸情况是影响其冒放性的一般因素。

5）顶板：直接顶在顶煤冒落过程中对顶煤冒放性有一定影响。基本顶在初次来压期间对顶煤冒放性有一定影响。

6）采放比：采放比是指采高与顶煤高度之比。采放比是影响顶煤冒放性较为重要的因素。由于工作面液压支架对顶煤的破碎作用范围一般仅限于支架上方的2 m左右范围，采放比越小，顶煤单位体积所受液压支架反复支撑的压力越大，越容易破碎放出。

综上所述，8406工作面顶煤冒放性的主要影响因素按影响程度由大到小分别是煤层强度与埋深、顶煤夹矸层强度、采放比、煤层节理、直接顶岩性、夹矸层厚度、老顶级别。采取合理的评价方法建立评价指标体系，根据8406工作面实际工程情况，对工作面顶煤冒放可行性进行评价。

3 顶煤冒放可行性评价

3.1 顶煤冒放可行性评价方法

顶煤冒放性受多方面因素影响，评价过程中存在着很多不确定性和模糊性，对顶煤冒放性的评价采用模糊综合评价方法较为合适。模糊综合评价法是一种用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出总体评价的方法，若各种影响因素对研究对象的影响程度具有一定的模糊性，需建立模糊集来对研究对象进行评价。因此，分析模糊集中各因素的隶属关系及其隶属度情况，研究8406工作面顶煤冒放性情况。