含夹矸特厚煤层综放开采重点技术研究

含夹矸特厚煤层综放开采重点技术研究

发表时间：2018-09-12T14:20:32.880Z 来源：《科技新时代》2018年7期作者：王胜伟

[导读] 本文对综放开采工艺参数的研究现状进行了介绍。

河南大有能源耿村煤矿综采二队河南三门峡渑池县 472300

摘要：本文对综放开采工艺参数的研究现状进行了介绍，从夹矸层的力学模型、顶煤冒放性的影响因素以及顶煤与支架之间的相互作用的角度对含夹矸特厚煤层的综放开采技术进行了分析。

关键词：夹矸层；特厚煤层；综放开采

0引言

煤炭作为我国的重要能源，对于我国的经济社会的发展有着非常重要的意义。目前我国的煤矿开采技术相较于发达国家仍然较为落后，特别是对于开采了较低的含夹矸煤层来说，如何改进煤矿开采技术，提高煤层开采率成为了一个重要的课题。

1.综放开采工艺参数研究现状

综放开采工艺是指一个采放循环的各工序之间的时间、空间的组织关系，主要包括割煤、移架、放煤等。目前在综放开采工艺参数的研究上已经非常成熟，国内外的学者通过量化最大采放比，指出合理的采放比有利于顶煤的冒放以及顶煤回收率的提高。还有研究指出顶煤的含矸率与损失率在一定的放煤步距下可以达到最低，其主要与煤岩的顶煤厚度、块度、强度、冒落角、矸堆高度、冒落角等有关。此外，有国内学者利用顶煤破断块度建立起顶煤破断冒放的块度理论，将顶煤的可放出性使用可放出系数和极限块度来进行解释，有利于确定合理的工艺参数和提高顶煤回收率。目前国内外对于综放开采工艺的参数研究在坚硬顶煤类的煤层方面研究较多，而很少从结构较为复杂的含夹矸特厚煤层方面开展研究，因此对于含夹矸特厚煤层的力学模型、含夹矸顶煤冒放性及其影响因素以及对含夹矸顶煤与支架的相互作用机理进行研究就显得十分必要。

2.夹矸层稳定性的力学模型

2.1悬臂梁模型

一般来说，夹矸层由于处于煤壁的深处，因此很少会因为开采工作而受到影响。当采煤工作面推进时，当支架控顶区移动到了夹矸层正下方时，如果夹矸层受到破坏，其下部顶煤就会出现下沉，而夹矸上部的顶煤、直接顶也会随之出现下沉，但下沉量相对较小。此时上位顶与直接顶会直接分离。在这种情况下，可以将夹矸层看作一个悬臂梁，其靠近煤壁的一端为固支端，靠近支架后方的为自由端。当工作面推进的时候，砌体梁结构会出现断裂、错动，使悬臂梁自由端的应力增加，进而导致煤顶变形加大，而在悬臂梁固支端的应力则接近原岩应力，因此可以认为悬臂梁上部的载荷为非均布线性，从而可以以此建立起夹矸破断的悬臂梁模型（如图1）。

2.2薄板模型

在薄板模型中（如图2），是通过利用一个四周固支的薄板来简化夹矸层的受力情况。其上部的载荷来自于顶煤的作用，为了方便计算，将夹矸破断之前的上部载荷简化为均布状态，根据弹性力学可以得出：夹矸层的水平应力会沿着其的倾斜方向和走向呈对称分布，此时工作面上部悬空夹矸中部为沿走向的水平应力最大值区域，两端夹矸悬空处为沿倾斜方向的水平应力最大值区域，两者均表现为拉应力，而剪应力则在夹矸层两端呈对角分布，最大主应力则集中于夹矸层的四角，表现为压应力。由于岩石的抗压强度要远远大于抗拉强度，则根据模型可以得出夹矸层的中部容易出现拉伸破断，两端头容易出现剪切破坏。

图1 夹矸层悬臂梁模型图2 夹矸层薄板模型

3.含夹矸特厚顶煤冒放性及其影响因素

对于特厚煤层的顶煤破碎和冒放性来说，夹矸层的存在必定会对其产生一定的影响，并且不同层位、层数、厚度和力学性质的夹矸层所造成的的影响也各不相同。

3.1夹矸层位

根据煤层中夹矸的赋存位置不同，可以分为上部、中部和下部夹矸层，其中上部夹矸层与顶板的距离为1~1.5m以内，下部夹矸层与底板的距离为1.5~2m以内，其与部分为中部夹矸层。在综放开采中，由于下部夹矸层通常处于采高范围，且厚度和强度较低，因此一般会直接进行截割。而对于中部夹矸层来说，如果其夹矸贴近支架上方，在反复受到支架的支撑作用下，很容易出现破碎；如果夹矸与支架间的距离较远，则会影响到顶煤冒放性。上部夹矸层如果厚度不大，则会随着顶煤以其冒落，若厚度较大，则不易脱落，一般会采取放弃夹矸及其上部的顶煤的方式来保证煤质。而对于采高范围以上的夹矸，又可以分为顶煤上位、顶煤中位和顶煤下位夹矸，其中顶煤上位和下位夹矸在与支架的相互作用下易出现破断和冒落，对顶煤的冒放性影响较小。而顶煤中位夹矸由于受到各种力的作用比较小，因此不容易出现破断和冒落，会对顶煤的冒放性造成较大的影响。

3.2夹矸厚度

夹矸层根据其厚度的不同可以分为三类：（1）厚度在0.4m以内的为薄夹矸层；（2）厚度大于0.4m，但在0.8m以内的为中厚夹矸层；（3）厚度大于0.8m的为厚夹矸层。根据相关的文献记载以及现场观察，如果夹矸层的厚度在0.5m以内，则夹矸层的结构多表现为片状，且强度比较差，非常容易在综放开采时出现冒落。而对于0.8m以上厚度的厚夹矸层，其发生冒落的可能性比较低，即使出现了冒落，其冒落的形式也大多为块状，且多为直径0.8~1.0m，甚至达到1.2m以上的冒落块。这种较大的冒落块由于其尺寸问题通常只能够留在采空区，同时还可能会对放煤过程造成一定的影响，导致放煤口堵塞等问题的发生，从而无法放出冒矸层上的顶煤，使顶煤放出率大大降低。

3.3夹矸岩性及强度

根据夹矸层岩性的不同通常可以分为页岩类夹矸层和砂岩类夹矸层。页岩类夹矸层还可以细分为炭质页岩、泥质页岩等。页岩类夹矸层的特点为分层厚度一般在0.3m以下，冒落块呈片状，部分冒落块平面直径可能能达到0.4~0.5m，但厚度仍为0.3m以下。页岩类夹矸层一般不容易形成桥拱结构，可以顺利从煤口放出，其抗压强度一般为10~30MPa，与中硬煤或者硬煤的强度相当，一般很少影响顶煤的冒放性。但如果页岩类夹矸层的层数较多、厚度较大，则会明显的影响到顶煤的冒放性。砂岩类夹矸层还可以细分为粉砂岩、细砂岩等，该类夹矸层的主要特点为分层厚度在0.3~0.8m之间，冒落块度较大，抗压强度一般为30~50MPa，放煤时容易形成桥拱结构，使夹矸层上方的