含厚夹矸结构复杂煤层综放开采的理论与实验研究

摘要：本文采用实验研究和理论研究相结合的方式对开滦范各庄矿含厚夹矸煤层的放顶煤开采进行了研究分析，主要以理论分析和实验室相似模拟实验为主，对含夹矸复杂结构厚煤层中的2429综放工作面含夹矸顶煤的冒放性、放煤工艺及放出规律、夹矸层极限厚度的确定等问题进行了研究，并指出了含夹矸顶煤的活动规律和放顶煤开采夹矸的极限厚度。

关键词：放顶煤开采、厚夹矸、理论分析、冒放性、相似模拟

综采放顶煤开采工艺已越来越显示出其独有的优势，厚煤层综放技术已成为我国依靠科技进步实现煤炭生产高产高效的主要技术发展方向。

放顶煤开采技术在煤层赋存条件好、结构简单的煤层条件下获得了良好的经济效益。但是，在一些结构复杂的煤层中，如夹矸厚度大、岩浆岩侵入带等条件下应用效果则不理想，对这类煤层进行放顶煤开采时顶板支护、工艺参数的确定、含夹矸顶煤的活动规律、工作面矿压显现、回采率等方面的特点还不清楚，厚夹矸结构复杂煤层的放顶煤开采技术在国内外很少有研究成果报道。我国赋存有大量的此类煤层，以开滦局为例，约占全部开采储量的一半。

1．试验工作面基本情况

试验研究地点在开滦范各庄矿2429综放工作面，该面位于二水平南四石门至南五石门间，地面标高为＋24.52m，工作面标高为－389m～－430m，本区域为12煤层与12半煤层会合区，12煤层为复杂结构煤层，煤厚3.50m～5.50m，12半为简单结构煤层，煤厚1.3m～2.30m,煤层总厚度为4.80m～7.80m，倾角平均为10°，工作面长度为倾斜长190m，走向推进长度为1860m，两煤之间有一层夹矸，其厚度变化较大，为0.1m～5.0m，岩性为黑灰色粉砂岩。走向长约600m。煤层和夹矸厚度分布直方图如图1所示。

图1  2429综放面煤与夹矸平均分布直方图

图2  范各庄矿2429综放面综合柱状图

工作面属于Ⅱ级二类顶板，初次来压步距为L=31.5m。煤层柱状如图2所示。

本工作面地质条件比较复杂，断层较多，多为正断层，其中有11条落差较大对回采有影响的断层，落差为0.7～3.0m。工作面正常涌水量0.1～0.2m3/min，最大涌水量0.5m3/min。开滦范各庄矿为低瓦斯矿井，开采不受瓦斯影响，煤层有自燃发火倾向，自然发火期为11个月。工作面采用走向长壁后退式综放采煤法，工作面采煤机割煤高度为3m，放煤高度为5m，采放比为1：1.67。工作面设备配套为：液压支架ZFS5800-17/33型，采煤机MG-300/730型，前刮板运输机SGZ-800/750型，后刮板运输机SGZ-900/750型。工作面日计划进尺3.6m，计划日产6000t煤，作业形式为两采一准。

2．含夹矸顶煤冒放性的理论分析

夹矸层对顶煤冒放性的影响主要表现在三个方面：①夹矸层自身的破碎效果，尤其是夹矸层较厚且强度较高时，可能出现夹矸层的悬露或破碎后块度较大而影响放煤；②夹矸层的参与使上位顶煤破碎效果降低，从而影响回收率；③对于中、下位夹矸，尤其机采高度较大时，夹矸层以下的顶煤较薄(相当于伪顶)，其稳定性降低，从而造成冒顶而影响正常生产。有效地解决上述三个方面的问题则是含夹矸厚煤层综放开采成功的关键。

夹矸层改变了顶煤的破坏过程，因而也将对顶煤的冒放性及放煤工艺和回采率造成影响。夹矸层上面是强度较低的顶煤, 其支承压力相对减弱，但下面直接和支架接触，受到支架的反复支撑作用，所以在夹矸厚度不是很厚的情况下，夹矸层的破碎效果较好。当夹矸层的厚度逐渐增加，夹矸层可以悬臂梁的形式存在。这种悬梁若能及时破断冒落,并且块度适宜,则有利于夹矸及上位顶煤的放出。由于试验面直接顶强度较低，其抗拉强度较小，故其受力状态如图3所示，由材料力学导出夹矸层极限厚度的表达式（1－1）。

图3  夹矸层的受力状态图

式中： —夹矸层悬臂最大长度，m。γ矸—夹矸层的容重，KN/m3； γ煤—顶煤的容重，KN/m3；h煤—顶煤厚度，m；γ顶—直接顶的容重，KN/m3；h顶—直接顶厚度，m；Rt —夹矸层的抗拉强度，MPa。

放顶煤开采工作面的夹矸层悬臂最大长度一般应控制在1.0m左右,这样加上支架的反复支撑,可以达到易放出的块度,否则不利于夹矸上部顶煤的放出。若取L=1.0m，则（1－1）式变为：

（1－2）

夹矸层的抗拉强度可通过实验室测定，或由下式估算：

（1－3）

式中：Rt原—原岩状态的夹矸层的单向抗拉强度，MPa；

K1—裂隙系数，由于夹矸层已受到超前支承压力、顶板的回转及支架的反复支承作用的影响，裂隙较为发育，可取0.2～0.4。

为了确定夹矸层的临界厚度，对于受支架支承作用影响小或不受支架支承作用影响的夹矸一般应取夹矸层的单向抗拉强度的最大值计算，实验室测定的夹矸层的单向抗拉强度最大值为2.36MPa，由于2429综放工作面中夹矸层受超前支承压力的影响，并且夹矸层直接与支架接触，受支架的支承作用影响大，经相似模拟实验分析可知，夹矸层由于受支架的支承压力、上覆岩层的超前支承压力和顶煤回转作用的影响，在支架上方已经产生较发育的裂隙，其抗拉强度很低，实测表明仅有原始抗拉强度的20%左右，故裂隙系数K1取0.2，则可利用式（1—3）得到夹矸层正常破断时的单向抗拉强度Rt为0.472MPa，利用这个抗拉强度值代入式（1－2）可求夹矸层的厚度极限值，得其厚度的极限值约为1.05m。

3．实验室相似模拟试验

以开滦范各庄矿2429工作面作为相似模拟试验的模拟原型，模拟12煤层平均厚度为4.5m, 12半煤层平均厚度为1.8m。在12煤层和12半煤层之间有一层夹矸，厚度在0.6m～2.0m。煤层平均倾角为10°。煤层赋存较稳定。顶板为粉砂岩，厚度大约为4.77m，底板粉砂岩，厚度大约为2.04m。煤层坚固性系数为f＝1.13。

2429工作面老顶的岩性主要以细砂岩为主，根据现场实际情况，制订相似模拟试验方案时，老顶的单轴抗压强度取40MPa，自然视密度取平均值为2.7g/cm3。直接顶的岩性应主要以粉砂岩为主。单轴抗压强度取平均值为13.4Mpa，密度取平均值为2.512g/cm3。煤层的单轴抗压强度取平均值为6.8Mpa，密度取平均值为1.356g/cm3。夹矸层的岩性应主要以粉砂岩为主。单轴抗压强度取平均值为24.0Mpa，密度取平均值为2.515g/cm3。

实验室相似模拟试验表明：随着工作面向前推进，0.8m厚度以下的夹矸能随采随垮，顶煤随之开始垮落，但由于受夹矸的影响，顶煤的垮落块度较大。当开采到距开切眼21.5m时，直接顶初次垮落。从模拟情况分析夹矸层的厚度达到1.0m时，垮落块度较大，达0.5m左右，开始影响放煤。当开采到距切眼27.5m的位置，老顶失稳破断发生初次来压，如图4所示。这时随着夹矸层厚度的增大，夹矸层形成悬臂梁或垮落后形成一个对顶煤的隔离带，顶煤不能正常放出。
工作面推进到47.5m时，老顶出现第一次周期来压，来压步距为20m，如图5所示。来压步距和现场实测无夹矸的平均周期来压步距16.6m相比长了3.4m，据分析可能是因为受夹矸的作用，影响到上位顶煤和岩层的运移和破碎，使老顶的周期来压步距变大。每当老顶来压时，上部岩层随着工作面的推进，出现缓慢下沉现象。

含夹矸顶煤开采时，支承压力的作用使夹矸及顶煤均遭到一定程度的预破坏，顶板回转下沉可加强对夹矸层以上顶煤的破坏作用，支架对夹矸层的破坏作用明显，从整个开采过程来看，由于支架的反复支撑作用，特别是支架强度的增加，能够使夹矸和顶煤的裂隙扩展并贯通，对下位2m～3m范围内的夹矸和顶煤有明显的破坏作用。

图4  2429工作面相似模拟实验老顶初次来压图 

图5  2429工作面老顶周期来压时的模拟试验图

4．小结与现场实验结果

通过上述的研究和论述，得到的结论如下：

1）据相似模拟实验开采过程分析得出夹矸厚度小于1.05m时，夹矸的垮落块度不影响顶煤的放出，但由于受夹矸层的影响，顶煤的垮落块度较大。当夹矸层的厚度大于1.05m以后，由于夹矸层的垮落块度较大，岩块之间相互铰接，形成对顶煤的隔离带；使顶煤不能及时垮落，顶煤很难放出。

2）在工作面开采过程中，据实测，在不受夹矸影响段的工作面周期来压步距为16.6m，而在开采模拟过程中，由于受夹矸层的影响，工作面的周期来压步距增大到20m。

3）根据理论研究和计算，2429综放面开采含夹矸段时，允许的夹矸层的厚度与夹矸层的抗拉强度、顶煤的厚度和强度等有关，可通过公式1－2进行计算。

4）含夹矸煤层综放开采顶煤移动显著增加的位置与不含夹矸段相比更接近于煤壁，从相似模拟开采实验中可以看出：含夹矸复杂结构煤层综放开采顶煤位移量在工作面支架上方开始显著增加。而从现场实测分析看，不含夹矸段综放开采顶煤位移量在工作面前方3m～5m处位移量显著增加。说明了由于受夹矸层的影响，使上覆岩层的移动空间变小，从而直接影响到顶煤的位移量的变化。

5）在模拟开采过程中，分别试验了一刀一放和两刀一放的放煤方式，从夹矸和顶煤的破碎效果看，两刀一放对顶煤的和夹矸的破碎效果明显优于一刀一放，与现场放煤工艺实验中的实测值相吻合。

根据相似模拟实验和理论分析的结果，2429综放面提前采取了技术措施，修改了采掘计划和回采巷道布置，在夹矸厚度达到1.0m处，工作面开始上爬，由沿十二半煤层底板回采开始逐渐上抬，逐步过渡到沿十二煤层顶板回采，以便通过爬升使工作面到达夹矸之上，甩开夹矸由于厚度加大对放煤及回采率的影响，整个过程走向推进了89米。从而使2429综放工作面的生产受夹矸层变厚的影响减至最小，保持了持续的稳产高产。2429工作面自2003年7月投入回采到2005年5月9日停采，累计采出煤炭4029405吨；平均月产183155吨，日产6105吨；最高月产208967吨，日产9405吨。从而使范各庄矿有了200万吨/年的工作面跨入全国特级矿井行列。因此研究成果能够在生产实践中及时得到应用和检验，并迅速转化为生产力。

我国开滦、淮北、徐州、大屯、枣庄、峰峰、邢台、邯郸、淮南、郑州等矿区都赋存有大量的类似条件的厚煤层，本研究成果有一定的应用推广前景。

参考文献：

【1】. 崔广心. 相似理论与模型试验. 江苏徐州：中国矿业大学出版社. 1990.9

【2】. 白义如，白世伟，靳钟铭，宋选民. 特厚煤层分层放顶煤相似模拟试验研究. 岩石力学与工程学报. 2001.20

【3】. 武虎彪，宋选民. 夹矸对放顶煤开采的影响. 山西矿业学院学报，1996,14（3）