龍泉煤礦綜放開采可行性研究

路全寬，田取珍，劉躍飛，李鵬翔

（太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

龍泉煤礦綜放開采可行性研究

路全寬，田取珍，劉躍飛，李鵬翔

（太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原 030024）

分析了龍泉煤礦4號煤層地質條件與煤巖層物理力學性質，結合我國綜放開采技術現狀，對龍泉煤礦綜放開采的主要影響因素進行研究，認為該煤層采用綜放開采是合理可行的。

綜放開采；回采率；頂煤冒放性

1 概述

龍泉井田位于山西省婁煩縣境內，井田面積35.23km2，設計規模5.0Mt/a，首采區為4號煤層，煤厚1.70m～8.2m，平均6.47m，煤層傾角多為5°～10°，最大不超過15°，埋藏深度300m～1000m，首采區平均采深450m，煤的抗壓強度13.58MPa。首采工作面總體上沿煤層走向推進，傾角7°～8°左右。煤層頂板為砂質泥巖、煤線、粉砂巖、泥巖、砂巖組成，屬不穩定至中等穩定頂板，底板為砂質泥巖和砂巖地層。4號煤層設計使用綜合機械化放頂煤開采，要對4號煤綜放煤開采的適應性進行研究。我們在龍泉礦井進行了實地煤巖心取樣并在實驗室進行了巖石力學實驗，巖石力學參數，如表1所示。

表1 4號煤層及頂底板巖石力學參數表

2 綜放開采回采率的分析

龍泉礦井4號煤層厚1.70 m～8.20 m，平均6.47 m，煤層厚度變化較大。龍泉井田共有鉆孔88個，根據鉆孔資料繪制全井田煤厚分布圖，見圖1。厚度7.0 m～8.0m的煤最多，占37%；其次為6.0m～7.0m的煤，占35%；厚度為5.0m～6.0m和8.0m以上的煤各占8 %；厚度為4.0m～5.0m和1.7m～3.0m的煤各占5%；厚度為3.0m～4.0m的煤僅占2%；全井田厚度6.0m以上的煤層占到80%。

首采區位于井田中西部的井底車場附近，共有鉆孔22個，首采區煤層厚度分布，見圖2，首采區內厚度6.0m～7.0m的煤最多，占58%；厚度7.0m～8.0m的煤，占37%；厚度5.0m～6.0m的煤僅占5%。如果首采區采用大采高綜采，采高按6.0m計算，姑且不考慮巷道煤柱損失，僅考慮采高引起的丟煤率，則可算出首采區工作面的回采率C：

首采區工業儲量Zg=1，5.0 m～6.0 m的煤沒有損失，6.0m～7.0m的煤按6.5m計算，7.0m～8.0m的煤按7.5m計算，則其

工作面回采率：C=88.1%，低于規范的93%。

通過分析看出，龍泉礦4號煤層的厚度分布不均勻，變化較大，最小為1.7m，最大為8.2m，煤層厚度6.0 m以上占到80%，煤層厚度7.0m以上占到45%，如果選擇大采高綜采，丟煤嚴重，煤層厚度顯然是不利因素。

圖1 龍泉井田煤厚分布比例圖

圖3 4號煤層夾矸厚度比例圖

圖2 首采區煤厚分布比例圖

3 頂煤冒放性的分析

3.1 煤層結構

煤層結構對放頂煤影響很大。堅硬的夾石會增強頂煤的整體性，不易垮落；但是可用高阻力液壓支架使頂煤破碎，也可考慮施工措施巷對頂煤進行預碎加以解決。夾矸強度越大頂煤越難冒落，此時頂煤的冒放性差。根據放頂煤開采實踐經驗，煤層中含有堅硬夾石層厚度單層不宜超過0.3m，否則需用破碎措施。頂煤中夾石層厚度占煤層總厚度的比例也不宜超過10%～15%。

龍泉礦井4號煤層一般含3層夾矸，最多達8層，夾矸一般為泥巖或炭質泥巖，根據鉆孔資料，夾矸厚度大于0.5m的占11%，煤層中夾石層厚度占煤層總厚度的11.6%，見圖3。首采區共有鉆孔22個，夾矸層數為0～6，多數為4層，夾矸厚度最大為0.95 m，多數小于0.3m。根據以上統計分析，4號煤層夾矸厚度較小，而且夾矸強度較低，對放頂煤開采影響不大。

3.2 開采深度

不考慮構造應力場的情況下，根據Griffith強度理論，頂煤發生破壞的臨界賦存深度為：

式中：μ為煤的泊松比，0.27；γ為上覆巖層平均容重，26 000 N/m3；φ為煤的內摩擦角，26.35°；σc為煤的單軸抗壓強度，13.58 MPa；K為應力集中系數，2.5。代入數據得到4號煤放頂煤開采的臨界深度為324 m，而4號煤埋藏深度約300 m～1 000 m，首采區平均采深450m，遠大于臨界深度，適于放頂煤開采。

3.3 煤層強度

煤層強度直接影響頂煤冒放性，習慣上用普氏系數f（f=σc/10）表達煤的強度或堅硬程度。根據f值大小，一般將煤分為軟煤(f≤1)、中硬煤(f=1～2)、硬煤(f≥2)。根據國內綜采放頂煤工作面和大采高綜采工作面的實測統計研究結果表明，煤層強度是影響采用放頂煤還是大采高的關鍵因素。一般來說：軟煤最容易冒落，不產生懸頂冒落，塊度小，塊徑一般在0.2m～0.3 m以下，可放性好；中硬煤次之，冒塊多在0.3 m～0.6 m，極少數達1.0m，可放性較好。硬煤的冒落性最差，冒塊多在1.0 m左右，常見大于1.0 m的塊度，支架后方常有懸空頂煤，放出率很低。頂煤越硬，垮落角越小，對頂煤的放出不利。對大采高而言，煤的軟硬直接影響到設備的使用效果；煤質太軟、煤壁片幫嚴重，工作面容易發生端面冒頂，無法發揮大采高設備的能力；采高太高，甚至會發生安全事故。實踐經驗表明，普氏系數大于1.5的煤層，才適合于大采高綜采。

經實驗室所測煤體力學參數，4號煤層的單軸抗壓強度平均為13.58MPa，則煤層普氏系數f=1.36，屬于中硬偏軟煤。4號煤層強度低，若采用大采高綜采，片幫嚴重，生產組織困難，經濟效益差，適于采用放頂煤開采。

3.4 頂底板條件

4號煤層頂板巖性軟弱、破碎，以泥巖或砂質泥巖為主，其間夾有薄煤層，直接頂可隨采隨冒；對頂煤放出最有利的直接頂厚度Σh應為冒落后能充滿采出空間，即Σh≥M/Kp。其中，M為采放高度取6.47m；KP為頂板巖石碎脹系數取1.2，則Σh≥5.4m。龍泉礦4號煤直接頂為4.8m的砂質泥巖，其上為5m厚的泥巖，冒落可較充分填充采空區。采用放頂煤綜采工藝完全可以適應，因為這種頂板的垮落與冒落的頂煤，能在放煤過程中形成統一的松動冒落體，減少丟煤。

4號煤層直接頂板以砂質泥巖為主，次為粉砂巖和薄煤層，局部為細粒砂巖。細粒砂巖抗壓強度為52.93MPa～104.77MPa，厚度較薄1m左右。砂質泥巖類抗壓強度常為24.82MPa～42.92MPa，厚度較厚5m左右。總之直接頂強度低，可隨采隨冒。煤層頂板屬于不穩定至中等穩定性頂板。底板為較厚細砂巖，強度60MPa左右，適合液壓支架運行。采用放頂煤較適合。

3.5 煤層節理裂隙

煤層都呈現程度不同地含有地質弱面和構造，例如層理、節理、裂隙、斷層、褶皺等。這些弱面將嚴重削弱煤體強度而增加煤體的變形性。對于放頂煤，煤層的節理裂隙發育程度影響到頂煤的冒放性；節理越發育，對放頂煤越有利。

從礦井下實地觀測現場工程技術人員的反映和實驗室鉆取煤芯試樣的損壞率來看，4號煤層的節理與裂隙中等發育，發育系數為0.3。4號煤層總體上是上半部較軟，下半部較硬；上半部甚至不能取出完整的巖芯，單軸抗壓強度8.5MPa，硬度系數f＜1；下半部較硬，其硬度系數也僅為f=1.3左右。

采用太原理工大學采礦工藝所靳鐘銘教授的頂煤冒放性的研究成果。其分類的計算公式為：

式中：y為頂煤冒放性系數；H為煤層的埋深，m；Rc為煤層的單軸抗壓強度，MPa；c為裂隙的發育程度系數；mj為煤層中夾石的厚度，m；md為頂煤的厚度，m。對4號煤層而言，埋深H為450m，煤層單軸抗壓強度13.58MPa，煤層節理發育系數c選0.3，夾石平均厚度mj=0.25m，頂煤厚度選3.67m，把數據代入式，可得y=0.94。根據頂煤冒放性分類數據可知，4號煤冒放性為好，說明4號煤層適合采用放頂煤開采。

4 結論

（1）通過現場取巖芯和實驗得到了龍泉煤礦4號煤層圍巖物理力學性質，并從煤層厚度分布，煤的回收率分析了采用綜放的合理可行性。（2）在龍泉礦4號煤及其頂底板物理力學參數的成果上，對影響龍泉煤礦頂煤冒放性的地質因素進行了分析研究。最后認定，龍泉煤礦頂煤冒放性為好，適合于放頂煤開采。

[1]康天合，宋選民，弓培林，靳鐘銘.煤層條件對頂煤可放性的影響研究[J].巖土工程學報，1996，18(5):22-28.

[2]李慧.淺埋藏堅硬特厚煤層放頂煤開采頂煤冒放性研究[D].太原：太原理工大學，2007.

[3]司志群.上榆泉煤礦綜放開采可行性研究[J].煤炭科技，2009(2)：1-3.

Feasibility Study of Fully-m/echanized Mining in Longquan Mine

LU Quan-kuan,Tian Qu-zhen,LIU Yue-fei,LI Peng-xiang
(College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024)

The article analyzed the geological condition and coal and rock strata physical and mechanical features of No.4 seam in Longquan mine.Based on the fully-mechanized mining technology in China,the major influential factors were studied to conclude that it was feasible to use fully-mechanized mining in the seam.

fully-mechanized mining;recovery ratio;top coal falling

TD823

A

1672-5050（2012）04-0046-03

2012-01-10

路全寬（1982—），男，山西大同人，在讀碩士研究生，從事煤礦開采方法及煤礦設計的研究工作。

劉新光