含夾矸特厚煤層綜放開采關(guān)鍵技術(shù)

李 權(quán)

（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037104）

引言

煤炭是我國使用最為廣泛的能源之一，并對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)生活等各個(gè)方面有著重要的影響。我國的煤炭產(chǎn)量位于世界前列，但煤炭的開采技術(shù)卻與發(fā)達(dá)國家存在較大的差距。因此，提高煤礦的開采水平以及煤礦的開采率是當(dāng)前煤礦產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。而含夾矸的煤礦層通常開采率都較低，若能有效提高這一部分煤層的開采效率，則能在整體上推動(dòng)煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文就基于提高煤礦產(chǎn)業(yè)開采效率為目的，對(duì)含夾矸特厚煤層綜合開采的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探究。

1 綜放開采工藝參數(shù)研究現(xiàn)狀

煤層的綜放開采由割煤、移煤、放煤等環(huán)節(jié)構(gòu)成，并形成了一個(gè)完善的循環(huán)系統(tǒng)。在煤層的綜放開采研究上，國內(nèi)外的專家學(xué)者都取得了一定的研究成果，尤其是一些發(fā)達(dá)國家對(duì)這一方面的研究相對(duì)比較成熟，相關(guān)的文獻(xiàn)、項(xiàng)目等在數(shù)量上十分可觀。在許多研究中表明，提高煤礦產(chǎn)量的關(guān)鍵是提高頂煤的回收率，降低煤礦中的含矸率。而煤層的含矸率與煤層的厚度、強(qiáng)度、塊度等有密切的聯(lián)系。有專家試圖從塊度的角度，建立頂煤的冒放理論體系，為其他參數(shù)的確定打下了一定的基礎(chǔ)。

總的來說，這些理論研究都為煤層開采效率的提高做出了一定的貢獻(xiàn)，并在實(shí)際的開采中具有較好的應(yīng)用效果。但在當(dāng)前的研究中，針對(duì)含夾矸特厚煤層的研究卻相對(duì)不足，因此這方面的理論技術(shù)較為落后。

2 夾矸層穩(wěn)定性的力學(xué)模型

2.1 懸臂梁模型

夾矸層通常位于煤層的較深處，在一般的開采過程中不會(huì)受到較大的影響，只有在受到較大強(qiáng)度的外力時(shí)才會(huì)發(fā)生形變或位移。在采礦作業(yè)過程中，工作面不斷向深處推進(jìn)，夾矸層將出現(xiàn)在支架的上方，若在開采的過程中不慎損傷到夾矸層，夾矸層則會(huì)發(fā)生碎裂，導(dǎo)致夾矸層發(fā)生形變或沉降。這時(shí)，頂煤就會(huì)和下層發(fā)生脫離，夾矸層則轉(zhuǎn)化為了懸臂梁。懸臂梁的上部通常承受著更大的壓力，當(dāng)支架在上方繼續(xù)移動(dòng)時(shí)，會(huì)使懸臂梁發(fā)生進(jìn)一步的斷裂，在更大的作用力下，懸臂梁也發(fā)生沉降，頂煤將發(fā)生更大的形變，

2.2 薄板模型

薄板模型是從空間力學(xué)的角度對(duì)夾矸層的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。在這種模型中，夾矸層被看作四周被固定的薄板，薄板的上方受到頂煤的作用力。當(dāng)夾矸層處于正常狀態(tài)時(shí)，上方的受力是均勻的，夾矸層的受力狀態(tài)與四周固定的矩形板是一致的。此時(shí)，夾矸薄板最大的受力區(qū)域在薄板的中心位置，并且向兩邊逐漸減小。通常巖石的抗拉性要強(qiáng)于抗壓性，因此根據(jù)薄板的受力分析來看，在薄板受到外力的作用時(shí)，兩邊所受的壓力更大，因此兩邊更容易受到破壞［1］。

3 含夾矸特厚頂煤冒放性及其影響因素

夾矸層會(huì)對(duì)頂煤的冒放性及穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，而夾矸層自身的厚度、層數(shù)、結(jié)構(gòu)等分別對(duì)頂煤的冒放性產(chǎn)生不同的影響。由于煤礦層的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，因此影響煤礦冒放性的因素有很多。

3.1 夾矸賦存條件的影響

根據(jù)夾矸在煤層中的賦存位置，可以將夾矸層分為上部夾矸層、中部夾矸層和下部夾矸層這三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。上部夾矸層的厚度一般在1.0m～1.5m左右，中部夾矸層的厚度變化較大，下部夾矸層的厚度通常在1.5m～2.0m之間。

在煤層的綜放開采中，下部夾矸層的厚度和強(qiáng)度通常都不大，可以直接使用切割機(jī)進(jìn)行切割，并且在切割的過程中也不會(huì)對(duì)回采過程產(chǎn)生影響。中部夾矸層在綜放開采的過程中會(huì)處于支架的正上方，容易受到支架的撞擊和擠壓，因此容易產(chǎn)生破損。上部夾矸層一般較為靠近頂煤，對(duì)于頂煤的冒放性有較大的影響。若夾矸層厚度較小，則在開采的過程中極易與頂煤一起脫離，若上部夾矸層的厚度較大，則就不易脫落，需要在后續(xù)的過程中進(jìn)行專門的處理。

3.2 夾矸厚度的影響

夾矸層的厚度可以分為三個(gè)等級(jí)，厚度小于0.4m的夾矸層屬于薄夾矸層，厚度在0.4～0.8m之間的夾矸層為中厚夾矸層，厚度在0.8m以上的夾矸層為厚夾矸層。經(jīng)過實(shí)際的開采實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)夾矸層的厚度小于0.5m時(shí)，夾矸層就會(huì)呈現(xiàn)片狀的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)度較小，則在開采的過程中容易發(fā)生脫落。而厚度超過0.8m的夾矸層大多呈現(xiàn)塊狀結(jié)構(gòu)，脫落的可能性相對(duì)較低。直徑超過1.2m的夾矸層會(huì)滯留在采空區(qū)，甚至堵塞放煤口，容易導(dǎo)致頂煤無法得到及時(shí)的輸出，影響了采煤的效率。

3.3 夾矸巖性及強(qiáng)度的影響

夾矸的巖性一般有兩種，分別是頁巖和砂巖。頁巖還包括灰質(zhì)頁巖、黑灰質(zhì)頁巖和泥質(zhì)頁巖等類型，頁巖的綜合特性就是巖層厚度小，容易發(fā)生脫落，通常脫落下來的巖層直徑在0.4～0.5m左右，厚度一般不會(huì)超過0.3m，由于厚度較小，這一類巖層脫落后可以從放煤口輸出。砂巖包括細(xì)砂巖、粉砂巖和砂質(zhì)巖等幾種類型。與頁巖相比，砂質(zhì)巖的厚度較大，相應(yīng)的強(qiáng)度也較大，一般可以承受30～50Pa的外力，這一類型的巖石在脫落后容易產(chǎn)生拱形的結(jié)構(gòu)，不易從放煤口排出。根據(jù)以上分析可以得出，巖層的厚度越大、強(qiáng)度越大，巖層在脫落后越容易形成拱形結(jié)構(gòu)，越不容易從放煤口排出［2］。

4 含夾矸頂煤與支架的相互作用機(jī)理

頂煤的脫落過程中受到支架擺動(dòng)的影響較大。當(dāng)頂煤脫落時(shí)，會(huì)與支架的尾梁和護(hù)梁產(chǎn)生較大的摩擦，當(dāng)支架的穩(wěn)定性較高時(shí)可以對(duì)摩擦產(chǎn)生一定的抗力，若支架的穩(wěn)定性較低，則容易使煤礦在支架附近形成一定的拱形結(jié)構(gòu)造成煤礦的松散和脫落。

由于巖石與鋼在空氣中的摩擦系數(shù)約為破碎煤體的1.4倍左右，因此當(dāng)煤層中存在夾矸層時(shí)會(huì)使摩擦系數(shù)上升，使拱形結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。此外，頂煤與掩護(hù)梁還存在著一定的內(nèi)聚力，當(dāng)頂煤中含有夾矸層時(shí)，內(nèi)聚力也有一定程度的增加，其作用就相當(dāng)于摩擦系數(shù)的增加，拱形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性同樣會(huì)增加［3］。

5 含夾矸頂煤冒放性數(shù)值研究

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，夾矸層的中部夾矸對(duì)于頂煤的冒放性影響最大，其次是上部夾矸層；在同一層次結(jié)構(gòu)中，夾矸層的厚度越大對(duì)頂煤的冒放性影響也越大。不同巖性的夾矸層中，砂巖類的夾矸層對(duì)頂煤的冒放性影響最大。

根據(jù)頂煤的呈拱原理可以發(fā)現(xiàn)，頂煤中含有的夾矸含量越多，煤層的內(nèi)聚力就越大，越容易形成拱形結(jié)構(gòu)。而拱形結(jié)構(gòu)的存在將阻礙頂煤的順利排出。此外，頂煤的冒放性還與夾矸層的層數(shù)成正比。當(dāng)夾矸層的層數(shù)越多時(shí)，頂煤的冒放性越強(qiáng)，當(dāng)夾矸層數(shù)量達(dá)到兩層以上時(shí)，頂煤就會(huì)難以脫落。夾矸層的厚度也對(duì)頂煤的冒放性有較大的影響，夾矸層越厚，破碎塊度越大，形成的橋拱結(jié)構(gòu)越厚，頂煤裂隙越不發(fā)育，冒放性也越差［4］。

6 結(jié)語

本文總結(jié)了含夾矸特厚煤層頂煤受力變形特征，并對(duì)夾矸穩(wěn)定性進(jìn)行了力學(xué)分析。研究表明，夾矸層在頂煤當(dāng)中的作用類似于懸臂梁，夾矸懸臂梁的破斷是頂煤冒放效果好壞的關(guān)鍵因素；頂煤中夾矸層數(shù)越多、厚度及硬度越大，頂煤整體就越表現(xiàn)出堅(jiān)硬頂煤的性質(zhì)，致使頂煤塑性區(qū)、散體區(qū)后移，破碎塊度也相對(duì)變大。

［1］ 錢鳴高.煤炭的科學(xué)開采［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010（4）：129－134.

［2］ 張益東，張付濤.特厚煤層合理放煤工藝研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012（6）：8－14.

［3］ 于斌.大采高綜放割煤高度合理確定及放煤工藝研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011（12）：29－33.

［4］ 許力峰，張勇.特厚煤層綜放開采頂煤放出率影響因素分析［J］.煤礦開采，2012（6）：25－28.