含夹矸特厚煤层综放开采关键技术

李 权

（山西铺龙湾煤业有限公司，山西 大同 037104）

引言

煤炭是我国使用最为广泛的能源之一，并对我国的经济建设、社会生活等各个方面有着重要的影响。我国的煤炭产量位于世界前列，但煤炭的开采技术却与发达国家存在较大的差距。因此，提高煤矿的开采水平以及煤矿的开采率是当前煤矿产业的当务之急。而含夹矸的煤矿层通常开采率都较低，若能有效提高这一部分煤层的开采效率，则能在整体上推动煤矿产业的发展。本文就基于提高煤矿产业开采效率为目的，对含夹矸特厚煤层综合开采的关键技术进行了探究。

1 综放开采工艺参数研究现状

煤层的综放开采由割煤、移煤、放煤等环节构成，并形成了一个完善的循环系统。在煤层的综放开采研究上，国内外的专家学者都取得了一定的研究成果，尤其是一些发达国家对这一方面的研究相对比较成熟，相关的文献、项目等在数量上十分可观。在许多研究中表明，提高煤矿产量的关键是提高顶煤的回收率，降低煤矿中的含矸率。而煤层的含矸率与煤层的厚度、强度、块度等有密切的联系。有专家试图从块度的角度，建立顶煤的冒放理论体系，为其他参数的确定打下了一定的基础。

总的来说，这些理论研究都为煤层开采效率的提高做出了一定的贡献，并在实际的开采中具有较好的应用效果。但在当前的研究中，针对含夹矸特厚煤层的研究却相对不足，因此这方面的理论技术较为落后。

2 夹矸层稳定性的力学模型

2.1 悬臂梁模型

夹矸层通常位于煤层的较深处，在一般的开采过程中不会受到较大的影响，只有在受到较大强度的外力时才会发生形变或位移。在采矿作业过程中，工作面不断向深处推进，夹矸层将出现在支架的上方，若在开采的过程中不慎损伤到夹矸层，夹矸层则会发生碎裂，导致夹矸层发生形变或沉降。这时，顶煤就会和下层发生脱离，夹矸层则转化为了悬臂梁。悬臂梁的上部通常承受着更大的压力，当支架在上方继续移动时，会使悬臂梁发生进一步的断裂，在更大的作用力下，悬臂梁也发生沉降，顶煤将发生更大的形变，

2.2 薄板模型

薄板模型是从空间力学的角度对夹矸层的稳定性进行了分析。在这种模型中，夹矸层被看作四周被固定的薄板，薄板的上方受到顶煤的作用力。当夹矸层处于正常状态时，上方的受力是均匀的，夹矸层的受力状态与四周固定的矩形板是一致的。此时，夹矸薄板最大的受力区域在薄板的中心位置，并且向两边逐渐减小。通常岩石的抗拉性要强于抗压性，因此根据薄板的受力分析来看，在薄板受到外力的作用时，两边所受的压力更大，因此两边更容易受到破坏［1］。

3 含夹矸特厚顶煤冒放性及其影响因素

夹矸层会对顶煤的冒放性及稳定性产生较大的影响，而夹矸层自身的厚度、层数、结构等分别对顶煤的冒放性产生不同的影响。由于煤矿层的结构复杂多变，因此影响煤矿冒放性的因素有很多。

3.1 夹矸赋存条件的影响

根据夹矸在煤层中的赋存位置，可以将夹矸层分为上部夹矸层、中部夹矸层和下部夹矸层这三个层次结构。上部夹矸层的厚度一般在1.0m～1.5m左右，中部夹矸层的厚度变化较大，下部夹矸层的厚度通常在1.5m～2.0m之间。

在煤层的综放开采中，下部夹矸层的厚度和强度通常都不大，可以直接使用切割机进行切割，并且在切割的过程中也不会对回采过程产生影响。中部夹矸层在综放开采的过程中会处于支架的正上方，容易受到支架的撞击和挤压，因此容易产生破损。上部夹矸层一般较为靠近顶煤，对于顶煤的冒放性有较大的影响。若夹矸层厚度较小，则在开采的过程中极易与顶煤一起脱离，若上部夹矸层的厚度较大，则就不易脱落，需要在后续的过程中进行专门的处理。

3.2 夹矸厚度的影响

夹矸层的厚度可以分为三个等级，厚度小于0.4m的夹矸层属于薄夹矸层，厚度在0.4～0.8m之间的夹矸层为中厚夹矸层，厚度在0.8m以上的夹矸层为厚夹矸层。经过实际的开采实验发现，当夹矸层的厚度小于0.5m时，夹矸层就会呈现片状的结构，这种结构由于强度较小，则在开采的过程中容易发生脱落。而厚度超过0.8m的夹矸层大多呈现块状结构，脱落的可能性相对较低。直径超过1.2m的夹矸层会滞留在采空区，甚至堵塞放煤口，容易导致顶煤无法得到及时的输出，影响了采煤的效率。

3.3 夹矸岩性及强度的影响

夹矸的岩性一般有两种，分别是页岩和砂岩。页岩还包括灰质页岩、黑灰质页岩和泥质页岩等类型，页岩的综合特性就是岩层厚度小，容易发生脱落，通常脱落下来的岩层直径在0.4～0.5m左右，厚度一般不会超过0.3m，由于厚度较小，这一类岩层脱落后可以从放煤口输出。砂岩包括细砂岩、粉砂岩和砂质岩等几种类型。与页岩相比，砂质岩的厚度较大，相应的强度也较大，一般可以承受30～50Pa的外力，这一类型的岩石在脱落后容易产生拱形的结构，不易从放煤口排出。根据以上分析可以得出，岩层的厚度越大、强度越大，岩层在脱落后越容易形成拱形结构，越不容易从放煤口排出［2］。

4 含夹矸顶煤与支架的相互作用机理

顶煤的脱落过程中受到支架摆动的影响较大。当顶煤脱落时，会与支架的尾梁和护梁产生较大的摩擦，当支架的稳定性较高时可以对摩擦产生一定的抗力，若支架的稳定性较低，则容易使煤矿在支架附近形成一定的拱形结构造成煤矿的松散和脱落。

由于岩石与钢在空气中的摩擦系数约为破碎煤体的1.4倍左右，因此当煤层中存在夹矸层时会使摩擦系数上升，使拱形结构更为稳定。此外，顶煤与掩护梁还存在着一定的内聚力，当顶煤中含有夹矸层时，内聚力也有一定程度的增加，其作用就相当于摩擦系数的增加，拱形结构的稳定性同样会增加［3］。

5 含夹矸顶煤冒放性数值研究

经过研究发现，夹矸层的中部夹矸对于顶煤的冒放性影响最大，其次是上部夹矸层；在同一层次结构中，夹矸层的厚度越大对顶煤的冒放性影响也越大。不同岩性的夹矸层中，砂岩类的夹矸层对顶煤的冒放性影响最大。

根据顶煤的呈拱原理可以发现，顶煤中含有的夹矸含量越多，煤层的内聚力就越大，越容易形成拱形结构。而拱形结构的存在将阻碍顶煤的顺利排出。此外，顶煤的冒放性还与夹矸层的层数成正比。当夹矸层的层数越多时，顶煤的冒放性越强，当夹矸层数量达到两层以上时，顶煤就会难以脱落。夹矸层的厚度也对顶煤的冒放性有较大的影响，夹矸层越厚，破碎块度越大，形成的桥拱结构越厚，顶煤裂隙越不发育，冒放性也越差［4］。

6 结语

本文总结了含夹矸特厚煤层顶煤受力变形特征，并对夹矸稳定性进行了力学分析。研究表明，夹矸层在顶煤当中的作用类似于悬臂梁，夹矸悬臂梁的破断是顶煤冒放效果好坏的关键因素；顶煤中夹矸层数越多、厚度及硬度越大，顶煤整体就越表现出坚硬顶煤的性质，致使顶煤塑性区、散体区后移，破碎块度也相对变大。

［1］ 钱鸣高.煤炭的科学开采［J］.煤炭学报，2010（4）：129－134.

［2］ 张益东，张付涛.特厚煤层合理放煤工艺研究［J］.采矿与安全工程学报，2012（6）：8－14.

［3］ 于斌.大采高综放割煤高度合理确定及放煤工艺研究［J］.煤炭科学技术，2011（12）：29－33.

［4］ 许力峰，张勇.特厚煤层综放开采顶煤放出率影响因素分析［J］.煤矿开采，2012（6）：25－28.