含夾矸特厚煤層綜放開采關鍵技術

李 權

（山西鋪龍灣煤業有限公司，山西 大同 037104）

引言

煤炭是我國使用最為廣泛的能源之一，并對我國的經濟建設、社會生活等各個方面有著重要的影響。我國的煤炭產量位于世界前列，但煤炭的開采技術卻與發達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前煤礦產業的當務之急。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，則能在整體上推動煤礦產業的發展。本文就基于提高煤礦產業開采效率為目的，對含夾矸特厚煤層綜合開采的關鍵技術進行了探究。

1 綜放開采工藝參數研究現狀

煤層的綜放開采由割煤、移煤、放煤等環節構成，并形成了一個完善的循環系統。在煤層的綜放開采研究上，國內外的專家學者都取得了一定的研究成果，尤其是一些發達國家對這一方面的研究相對比較成熟，相關的文獻、項目等在數量上十分可觀。在許多研究中表明，提高煤礦產量的關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、強度、塊度等有密切的聯系。有專家試圖從塊度的角度，建立頂煤的冒放理論體系，為其他參數的確定打下了一定的基礎。

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，并在實際的開采中具有較好的應用效果。但在當前的研究中，針對含夾矸特厚煤層的研究卻相對不足，因此這方面的理論技術較為落后。

2 夾矸層穩定性的力學模型

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受到較大的影響，只有在受到較大強度的外力時才會發生形變或位移。在采礦作業過程中，工作面不斷向深處推進，夾矸層將出現在支架的上方，若在開采的過程中不慎損傷到夾矸層，夾矸層則會發生碎裂，導致夾矸層發生形變或沉降。這時，頂煤就會和下層發生脫離，夾矸層則轉化為了懸臂梁。懸臂梁的上部通常承受著更大的壓力，當支架在上方繼續移動時，會使懸臂梁發生進一步的斷裂，在更大的作用力下，懸臂梁也發生沉降，頂煤將發生更大的形變，

2.2 薄板模型

薄板模型是從空間力學的角度對夾矸層的穩定性進行了分析。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。當夾矸層處于正常狀態時，上方的受力是均勻的，夾矸層的受力狀態與四周固定的矩形板是一致的。此時，夾矸薄板最大的受力區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于抗壓性，因此根據薄板的受力分析來看，在薄板受到外力的作用時，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

夾矸層會對頂煤的冒放性及穩定性產生較大的影響，而夾矸層自身的厚度、層數、結構等分別對頂煤的冒放性產生不同的影響。由于煤礦層的結構復雜多變，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層次結構。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度通常都不大，可以直接使用切割機進行切割，并且在切割的過程中也不會對回采過程產生影響。中部夾矸層在綜放開采的過程中會處于支架的正上方，容易受到支架的撞擊和擠壓，因此容易產生破損。上部夾矸層一般較為靠近頂煤，對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，需要在后續的過程中進行專門的處理。

3.2 夾矸厚度的影響

夾矸層的厚度可以分為三個等級，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。經過實際的開采實驗發現，當夾矸層的厚度小于0.5m時，夾矸層就會呈現片狀的結構，這種結構由于強度較小，則在開采的過程中容易發生脫落。而厚度超過0.8m的夾矸層大多呈現塊狀結構，脫落的可能性相對較低。直徑超過1.2m的夾矸層會滯留在采空區，甚至堵塞放煤口，容易導致頂煤無法得到及時的輸出，影響了采煤的效率。

3.3 夾矸巖性及強度的影響

夾矸的巖性一般有兩種，分別是頁巖和砂巖。頁巖還包括灰質頁巖、黑灰質頁巖和泥質頁巖等類型，頁巖的綜合特性就是巖層厚度小，容易發生脫落，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。砂巖包括細砂巖、粉砂巖和砂質巖等幾種類型。與頁巖相比，砂質巖的厚度較大，相應的強度也較大，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生拱形的結構，不易從放煤口排出。根據以上分析可以得出，巖層的厚度越大、強度越大，巖層在脫落后越容易形成拱形結構，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理

頂煤的脫落過程中受到支架擺動的影響較大。當頂煤脫落時，會與支架的尾梁和護梁產生較大的摩擦，當支架的穩定性較高時可以對摩擦產生一定的抗力，若支架的穩定性較低，則容易使煤礦在支架附近形成一定的拱形結構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約為破碎煤體的1.4倍左右，因此當煤層中存在夾矸層時會使摩擦系數上升，使拱形結構更為穩定。此外，頂煤與掩護梁還存在著一定的內聚力，當頂煤中含有夾矸層時，內聚力也有一定程度的增加，其作用就相當于摩擦系數的增加，拱形結構的穩定性同樣會增加［3］。

5 含夾矸頂煤冒放性數值研究

經過研究發現，夾矸層的中部夾矸對于頂煤的冒放性影響最大，其次是上部夾矸層；在同一層次結構中，夾矸層的厚度越大對頂煤的冒放性影響也越大。不同巖性的夾矸層中，砂巖類的夾矸層對頂煤的冒放性影響最大。

根據頂煤的呈拱原理可以發現，頂煤中含有的夾矸含量越多，煤層的內聚力就越大，越容易形成拱形結構。而拱形結構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成正比。當夾矸層的層數越多時，頂煤的冒放性越強，當夾矸層數量達到兩層以上時，頂煤就會難以脫落。夾矸層的厚度也對頂煤的冒放性有較大的影響，夾矸層越厚，破碎塊度越大，形成的橋拱結構越厚，頂煤裂隙越不發育，冒放性也越差［4］。

6 結語

本文總結了含夾矸特厚煤層頂煤受力變形特征，并對夾矸穩定性進行了力學分析。研究表明，夾矸層在頂煤當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鍵因素；頂煤中夾矸層數越多、厚度及硬度越大，頂煤整體就越表現出堅硬頂煤的性質，致使頂煤塑性區、散體區后移，破碎塊度也相對變大。

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

［2］ 張益東，張付濤.特厚煤層合理放煤工藝研究［J］.采礦與安全工程學報，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］.煤炭科學技術，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.