許孟和，王慧杰

(潞安礦業(yè)集團公司 古城煤礦，山西 長治 046100)

潞安集團古城煤礦為國家發(fā)改委批準建設(shè)的特大型礦井，井田位于長治市西部，行政區(qū)劃隸屬于長子縣、屯留區(qū)管轄。井田面積157.299 3 km2，批準開采3號煤層，煤層平均厚度6.33 m，設(shè)計生產(chǎn)能力800萬t/a，屬高瓦斯礦井。

為最大限度地提高煤炭回收率，簡化回采管理程序，古城煤礦礦井初步設(shè)計批復(fù)的采煤工藝為大采高一次采全高。然而，根據(jù)現(xiàn)階段礦井揭露的復(fù)雜地質(zhì)條件和相鄰礦井嘗試大采高一次采全高的失敗教訓，古城煤礦預(yù)改變采煤工藝，探索采用綜采放頂煤采煤工藝。

根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計范圍》(GB50215-2015)5.2.6條規(guī)定，厚煤層(大于3.5 m)采煤工作面的回采率不應(yīng)小于93%(強制性條款)。因此，綜采放頂煤開采能否成功在很大程度上取決于煤炭回收率的高低，而煤炭回收率的高低取決于頂煤的冒放性。

1 綜放工作面頂煤冒放性影響因素分析

綜放工作面頂煤冒放性，是指在礦山壓力作用下頂煤體垮落和放出的難易程度。

影響綜放工作面頂煤冒放性的主要因素有4個，分別為煤層埋深、煤層強度、煤層厚度、煤體節(jié)理發(fā)育程度?，F(xiàn)結(jié)合古城煤礦3號煤層的實際地質(zhì)條件，對影響頂煤冒放性的各個因素進行逐一分析[1]。

1.1 煤層埋深對頂煤冒放性的影響

煤層埋深對頂煤冒放性的影響本質(zhì)上是礦山壓力對頂煤的壓裂作用。理論上，煤層埋藏越深，礦山壓力越大，頂煤受到的壓裂作用也就越大，反之越小。

一般來講，煤層埋深小于100 m時，頂煤冒放性較差；大于400 m時，頂煤冒放性較好[2]。古城煤礦煤層埋深為583～637 m，故頂煤冒放性較好。

1.2 煤層強度對頂煤冒放性的影響

煤層強度直接影響頂煤的冒放性。一般來說，軟煤(普氏系數(shù)f≤1)最易垮落，垮落塊度小，塊徑通常在0.3 m以下；中硬煤(普氏系數(shù)f=1～2)次之，垮落塊徑多為0.3～0.6 m，很少有達1.0 m的；硬煤(普氏系數(shù)f>2)的冒放性最差，垮落塊徑1.0 m左右，其最大特點是可引起支架后方懸空頂煤[3]。

古城煤礦所采3號煤層普氏系數(shù)f=1.1，屬中硬煤，較易垮落。

1.3 煤層厚度對頂煤冒放性的影響

煤層厚度對頂煤冒放性的影響是通過綜放工作面采放比來完成的。過薄的頂煤相當于偽頂，隨采隨冒，很難控制其在支架尾部垮落，存在超前漏頂現(xiàn)象，如果現(xiàn)場管理不到位，可能引起支架傾斜，甚至傾倒。另一方面，過厚的頂煤在控頂區(qū)內(nèi)，最上部頂煤很難得到充分松動，進而滯后垮落，丟棄在采空區(qū)內(nèi)，造成資源浪費。

因此，一定厚度的煤層必須選擇與之相配套的液壓支架和采煤機，即合理確定采放比，才能保證工作面安全有效生產(chǎn)。

古城煤礦回采工作面預(yù)計割煤高度3.8 m，放煤高度2.53 m，采放比1∶0.67，頂煤留設(shè)較為合理。

1.4 煤體節(jié)理裂隙發(fā)育程度對頂煤冒放性的影響

煤體節(jié)理裂隙發(fā)育程度直接影響頂煤的冒放性。節(jié)理裂隙越發(fā)育，頂煤的冒放性就越好，越易于放出，反之，不易放出[4]。

古城煤礦3號煤層節(jié)理發(fā)育程度較好，節(jié)理裂隙間距達到0.25 mm，有利于頂煤的冒放。

2 頂煤冒放性的計算與評價

2.1 隸屬度概念的引進

隸屬度屬于模糊評價函數(shù)里的概念，是對受多種因素影響的事物做出全面評價的一種多因素決策方法，其特點是評價結(jié)果不是絕對的肯定或否定，而是以一個模糊集合來表示[5]。

若論域(研究范圍)U中的任一元素x，都有一個數(shù)A(x)∈[0，1]與之對應(yīng)，則稱A為U的模糊集，A(x)稱為x對A的隸屬度。當x在U中變動時，A(x)就是一個函數(shù)，稱為A的隸屬函數(shù)。隸屬度A(x)越接近于1，表示x屬于A的程度越高；A(x)越接近于0，表示x屬于A的程度越低[6]。

將各隸屬度代入公式μ=∑Aiμi中可計算出x對A的總隸屬度。

下文將通過對各影響因素的隸屬度計算，來綜合評價綜放工作面頂煤的冒放性。

2.2 頂煤冒放性各影響因素隸屬度的取值范圍

頂煤冒放性各影響因素取值范圍不同，其對應(yīng)的隸屬度也不盡相同，表1～3為4類影響因素在不同取值范圍下所對應(yīng)的隸屬度。

表1 開采深度與煤層強度之比值及其對頂煤冒放性的隸屬度值

注：H為開采深度，m；Rc為煤層單軸抗壓強度，MPa。

表2 采放比及其對頂煤冒放性的隸屬度值

表3 煤層節(jié)理裂隙間距及其對頂煤冒放性的隸屬度值

2.3 古城煤礦頂煤冒放性各影響因素的取值

古城煤礦3號煤層開采深度H=583～667 m，平均610 m；煤層單軸抗壓強度Rc=10.66 MPa，煤層普氏系數(shù)f=1.1；工作面采放比1∶0.67；依據(jù)表1～3，各因素對頂煤冒放性隸屬度μi的取值分別為：

1)H/Rc=610/10.66=57，μ1=0.95；

2) 煤層普氏系數(shù)f=1.1，工作面采放比1∶0.67，μ2=0.5；

3) 節(jié)理裂隙間距平均0.25 mm，μ3=0.85。

2.4 古城煤礦頂煤整體冒放性隸屬度的計算及評價

將各隸屬度代入公式μ=∑Aiμi中可計算出回采工作面頂煤整體冒放性的隸屬度，其中Ai表示頂煤冒放性各影響因素的權(quán)重，如表4所示。依據(jù)頂煤整體冒放性的隸屬度，頂煤冒放性分類如表5所示。

表4 頂煤冒放性各影響因素權(quán)重分配

表5 頂板垮落性分類

因此，古城煤礦工作面頂煤冒放性隸屬度值為：

μ=∑Aiμi=A1μ1+ +A2μ2+A3μ3=0.81

根據(jù)計算得出古城煤礦工作面頂煤冒放性隸屬度值μ=0.81，查表5可以得知，工作面頂煤冒放性好，采用綜采放頂煤采煤法開采是可行的。

3 結(jié) 語

本文系統(tǒng)分析了影響綜放工作面頂煤冒放的各個因素，通過隸屬度方法對古城煤礦頂煤冒放性的影響因素進行逐一計算，并作出綜合評價，最終計算得出工作面頂煤冒放性隸屬度值μ為0.81，冒放等級為較易冒放。因此，古城煤礦采用綜采放頂煤回采工藝是可行的。