薛吉勝，杜龍飛，趙鐵林，張晨陽

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

特厚煤層存在多層夾矸是較為普遍的現(xiàn)象，隨著綜放開采一次采出厚度的不斷增大，頂煤從單一煤體轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬雍駣A矸與煤體互層的復(fù)合頂煤體，強度較大的夾矸層不僅破碎效果差、大塊多，也會造成頂煤破碎塊度大，堵塞放煤口[1]，導(dǎo)致頂煤破碎效果差、放出率低等問題[2]，特厚煤層頂煤實際放出率普遍低于80%[3]。因此，研究含夾矸復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層頂煤破壞機理，分析特厚煤層復(fù)合頂煤破壞的影響因素，對提高特厚煤層綜放工作面產(chǎn)量和采出率都有重要意義。綜放開采引進我國40年來，國內(nèi)學(xué)者對綜放開采頂煤破壞機理、頂煤冒放規(guī)律進行了系統(tǒng)性研究，頂煤破壞運移理論成果豐富，推動了綜放開采技術(shù)的發(fā)展[4-19]。

研究成果表明，頂煤破壞相關(guān)研究集中在頂煤破壞分區(qū)特征、頂煤運移規(guī)律、頂煤放出規(guī)律等方面，頂煤破壞與頂板運動、煤層賦存條件、頂煤體自身屬性有關(guān)，現(xiàn)有成果多數(shù)是在頂煤體單一性狀基礎(chǔ)上得到的，含多層夾矸復(fù)合頂煤體與單一性狀頂煤體力學(xué)特性差別較大。因此，本文基于普遍存在的特厚煤層頂煤煤矸互層條件，研究復(fù)合頂煤體冒落特征，提高頂煤采出率，降低含矸率。

1 復(fù)合煤巖體破壞特征分析

1.1 試驗方案

采用真三軸加載力學(xué)試驗系統(tǒng)對復(fù)合煤巖體進行力學(xué)試驗，研究與超前支承壓力曲線相擬合的特定加載路徑上復(fù)合煤巖體破壞特征。最小主應(yīng)力為x軸方向，中間主應(yīng)力為y軸方向，最大主應(yīng)力為z軸方向，實驗室加載速率為0.1MPa/s，加載方案為：①加載σ1、σ2、σ3至6.75MPa；②保持σ3不變，加載σ1、σ2至7.5MPa；③保持σ2、σ3不變，加載σ1至12MPa；④保持σ1、σ2、σ3不變，維持穩(wěn)定3min；⑤保持σ1、σ2不變，將σ3卸載至0；⑥保持σ1、σ2、σ3不變，維持穩(wěn)定2min；⑦保持σ2、σ3不變，加載σ1至試樣破壞。

圖1 應(yīng)力加載試驗方案

表1 試樣物理力學(xué)性質(zhì)

復(fù)合煤巖體由原煤原巖加工制成，試樣規(guī)格為100mm×100mm×100mm。煤巖高度比例分別為0∶1、1∶2、1∶1、2∶1、1∶0，根據(jù)實驗需要，制取A、B類試樣各4件、C、D、E類試樣各3件，共17件進行試驗。

1.2 破壞特征分析

不同煤巖厚度比例試樣試驗破壞結(jié)果如圖3所示。為直觀表述試樣破壞形態(tài)，將立方體試樣展開成平面，根據(jù)實物破壞情況在平面圖中繪制裂隙并作簡化，見表2。

表2 試樣簡化破壞形態(tài)及分析統(tǒng)計

由表2可知，各組試樣破壞形態(tài)均為X狀共軛斜面剪切破壞，區(qū)別在于破壞發(fā)生的尺度、位置，純煤和純巖試樣呈整體“X”型破壞，破壞尺度及發(fā)生位置一致，屬于同一介質(zhì)中單一產(chǎn)狀的剪切破壞；煤巖比例相當(dāng)?shù)陌朊喊霂r試樣呈整體“X”型破壞，與單一介質(zhì)破壞形態(tài)差別不大，但強度相對較小的煤體部分有垂直裂隙貫通；當(dāng)巖體比例較大時，兩種介質(zhì)分別產(chǎn)生“X”型破壞，與純煤、純巖、半煤半巖狀態(tài)相比，破壞尺度相對較小，但破壞位置是一致的，同時由于煤體厚度小強度低，導(dǎo)致煤體中產(chǎn)生了水平裂隙；當(dāng)煤體比例較大時，兩種介質(zhì)分別產(chǎn)生“X”型破壞，與巖體比例較大試樣相比，煤體的破壞同樣產(chǎn)生了水平裂隙，但巖體由于厚度較小，“X”狀破壞尺度小，但貫穿整個巖體。

從5組復(fù)合煤巖體的破壞特征可以看出，煤巖比例的變化對整體的破壞形態(tài)影響非常明顯，從工程角度看，復(fù)合煤巖體的破壞比單一介質(zhì)塊度小，煤體裂隙發(fā)育程度高，復(fù)合煤巖體中煤體有水平裂隙發(fā)育，放頂煤開采中表現(xiàn)為頂煤體層理發(fā)育，當(dāng)含矸厚度較大時，巖體周圍煤體較破碎，但巖體裂隙發(fā)育程度低，不利于頂煤冒放。

1.3 強度特征分析

綜放開采頂煤體強度對其冒放性影響較大，對復(fù)合煤巖體試樣進行三軸加載試驗測定試樣的峰值強度，類型A純巖試樣峰值強度平均為55.52MPa，類型B少煤多巖試樣為37.84MPa，類型C半煤半巖試樣為34.94MPa，類型D多煤少巖試樣為30.17MPa，類型E純煤試樣為23.52MPa。純煤純巖試樣的單軸抗壓強度分別為28.75MPa，19.37MPa。

為復(fù)合煤巖體試樣峰值強度與煤巖占比的關(guān)系如圖2所示，試樣峰值強度散點連線為一條近似線性曲線，不同試樣三軸峰值強度比單一介質(zhì)的單軸抗壓強度高，純巖試樣強度差值為26.77MPa，強度增加93%，純煤試樣強度差值為4.15MPa，強度增加21%，隨著含矸比例升高，試樣三軸抗壓強度與單軸抗壓強度差值就越大，因此，在綜放開采過程中，頂煤體中含矸比例越高，整體強度增幅越大，越不易破碎，從而影響頂煤冒放性，降低頂煤回收率。

圖2 煤巖復(fù)合結(jié)構(gòu)體峰值強度與煤體厚度關(guān)系

2 復(fù)合煤巖體冒放特征分析

2.1 模型建立

利用連續(xù)非連續(xù)CDEM數(shù)值模擬方法建立了特厚煤層復(fù)合頂煤體放煤數(shù)值計算模型，研究頂煤體連續(xù)→非連續(xù)的介質(zhì)轉(zhuǎn)化過程。以某礦5號煤層賦存條件為例，工作面設(shè)計長度155m，單個支架寬度1.75m，數(shù)量為60個，模型兩側(cè)25m范圍不設(shè)放煤口，模型邊界采用剛性約束，煤層直接頂為7.2m厚炭質(zhì)泥巖，基本頂為8.3m厚砂巖。

建立數(shù)值模擬顆粒二維模型，全部煤巖層均用顆粒代替，頂煤顆粒自上而下逐步減小，模型左右分別預(yù)留25m邊界，包含端頭不放煤段和消除邊界效應(yīng)段，模型左右兩側(cè)及下側(cè)均用剛性面進行約束，保持夾矸厚度不變，對頂煤厚度為8.0m、12.0m、16.0m的煤層條件分別進行模擬，放煤方式采用單架單輪順序放煤，整個放煤實驗過程是從左側(cè)第1放煤口開始放煤，見矸關(guān)閉放煤口開始第2放煤口放煤，直至第60個放煤口放煤結(jié)束。各層位頂煤、直接頂巖層、基本頂、夾矸硬巖層的模型顆粒尺寸及層位厚度設(shè)置見表3，顆粒半徑是通過在轉(zhuǎn)載機處測試不同巖性塊體尺寸確定的，相同巖性的顆粒半徑設(shè)置遵循由上而下逐漸減小的原則。

表3 數(shù)值模擬顆粒模型尺寸及層位厚度

2.2 架間成拱特征分析

特厚煤層綜放工作面在放煤過程中，由于頂煤含矸，放煤口寬度相對較小，極易在放煤口兩側(cè)形成“放煤平衡拱”，如圖3所示，“放煤平衡拱”的阻礙了待放頂煤體的放出，影響頂煤放出率，三種厚度頂煤所形成的放煤平衡拱分別由10個、8個、7個顆粒單元組成，拱徑分別為1.4m、1.1m、0.8m，8m頂煤厚度條件下為煤矸混合成拱，因此，當(dāng)夾矸厚度不變時，隨著頂煤厚度的減小，含矸比例的增加，頂煤成拱幾率增加，平衡拱尺度增大。

圖3 頂煤擠壓成拱

2.3 煤矸分界特征分析

三種厚度含矸頂煤體放煤后采空區(qū)遺煤及煤矸分界面形態(tài)如圖4所示。8.0m厚度頂煤放出后，采空區(qū)遺煤總量小，遺煤不連續(xù)，中間被頂板矸石隔斷，間距3～4m，每處遺煤寬度3～4m，煤矸分界線在放煤區(qū)內(nèi)平滑連續(xù)，放煤過程頂煤總體呈緩慢下沉趨勢；12.0m厚度頂煤放出后，采空區(qū)遺煤量大，遺煤連續(xù)分布，但煤矸分界面起伏較大，總體頂煤均勻下沉，遺煤中含矸較多，且含矸區(qū)域遺煤高度較大，遺煤高度1～7m；16.0m厚度頂煤放出后，采空區(qū)遺煤總量較大，遺煤不連續(xù)，中間被頂板矸石隔斷，間距3～4m，每處遺煤寬度4～8m，遺煤高度4～8m，遺煤區(qū)域矸石均勻分布，煤矸分界線在放煤區(qū)上方平滑連續(xù)，同時下沉區(qū)域較廣，水平方向放煤口單側(cè)影響范圍可達6～10m。

圖4 不同厚度含矸頂煤體放煤采空區(qū)遺煤及煤矸分界面形態(tài)

在含矸頂煤體放出過程中，隨著頂煤厚度增加，采空區(qū)遺煤總量成倍增加，煤矸分界面形態(tài)起伏逐漸變大至隔斷狀態(tài)，頂煤含矸導(dǎo)致頂煤放出率大幅降低。

2.4 頂煤體放出規(guī)律分析

不同頂煤厚度放煤量統(tǒng)計如圖5所示。8.0m頂煤條件共完成26架放煤，單放煤口最大放出量為25.32m2，最小放出量為2.83m2，放煤量無明顯周期性變化特征，1#、2#、9#、17#、19#等5個放煤口大于20m2，占比19.2%，單放煤口放出率最大值為166%，最小值為18%，平均值為77%。12.0m頂煤條件共完成48架放煤，各支架最大放出量為41.58m2，最小放出量為5.37m2，共14個放煤口放煤量大于20m2，占比29.2%，放煤量無明顯周期性變化特征，單放煤口放出率最大值為178%，最小值為23%，平均值為75%。16.0m頂煤條件共完成27架放煤，各支架最大放出量為49.25m2，最小放出量為9.01m2，共12個放煤口放煤量大于20m2，占比44.4%，放煤量呈明顯周期性變化，單放煤口放出率最大值為120%，最小值為30%，平均值為70%。

圖5 不同頂煤厚度放煤量和放出率統(tǒng)計

上述分析表明，單架順序放煤條件下放煤量與放出率呈高低起伏非均勻分布，隨著頂煤厚度增大，放煤量與放出率變化的周期性逐漸明顯，放煤量與放出率低值區(qū)和高值區(qū)之比約為1∶3。

3 復(fù)合煤巖體塊度分布特征分析

頂煤體放出塊度是放頂煤開采的一個重要指標，破碎頂煤呈多面體形狀，邊長不同導(dǎo)致了外觀形狀差別較大。邊長近似相等的多面體煤塊，外形均勻利于從放煤口放出，而邊長差別較大的煤塊，由于某一條邊或幾條邊較長，盡管塊體體積不大，仍有可能形成頂煤拱結(jié)構(gòu)，或塊度較大堵住放煤口無法順利放出，影響頂煤放出效率。

3.1 煤矸塊度體積分布特征

在工作面轉(zhuǎn)載機區(qū)域開展頂煤和矸石塊度現(xiàn)場統(tǒng)計，停機檢修期間采用人工測量方法進行統(tǒng)計，將放出煤巖塊體大小分為6個區(qū)間，統(tǒng)計各個塊度區(qū)間煤塊個數(shù)和重量，見表4、5。長度超過50cm的煤塊通過測量體積進行重量估算，煤的容重取1.4t/m3，矸石容重取2.4t/m3，統(tǒng)計得到煤塊492塊，總重量約4524.86kg，矸石54塊，總重量約877kg。

表4 頂煤塊度現(xiàn)場統(tǒng)計

表5 矸石塊度現(xiàn)場統(tǒng)計

圖6(a)為頂煤塊度分組計數(shù)觀測結(jié)果，第二組塊度范圍(10～40cm)內(nèi)煤塊計數(shù)最多，為207塊，大于100cm的大塊較少，為10塊，中小塊度區(qū)間(塊度<100cm)占比為98%，大塊(塊度>100cm)占比為2%，塊度大小服從正態(tài)分布，擬合趨勢線用多項式表示如式1，放出的頂煤塊度相對較均勻，頂煤破碎充分，大塊堵塞放煤口現(xiàn)象較少。

y=-0.0088x4+0.1453x3-0.8248x2+

1.7705x-0.8456

(1)

圖6(b)為矸石塊度分組計數(shù)觀測結(jié)果，與頂煤塊度分布不同，由于矸石層厚度較小，矸石無大于100cm的大塊，第二組塊度范圍(10～40cm)內(nèi)矸石計數(shù)最多，為27塊，小于10cm的矸石占比較小。

圖6 煤矸塊度分組計數(shù)觀測結(jié)果

3.2 煤矸塊度重量分布特征

圖7 煤矸塊度分組重量觀測結(jié)果

頂煤塊度分組重量觀測結(jié)果如圖7所示，圖7(a)為頂煤塊度分組重量觀測結(jié)果，第三組塊度范圍(40～70cm)內(nèi)煤塊重量最大，總重為1676kg，占觀測煤塊總質(zhì)量的37.06%。小塊(<40cm)雖然數(shù)量占比多達65.65%，但重量占比很小，僅占總質(zhì)量的10.94%。對頂煤放出率貢獻最大的塊度分組為第三組(40～70cm)，隨后為第四組(70～100cm)和第五組(100～130cm)。大塊和小塊的貢獻均相對較小。塊度重量趨勢基本符合正態(tài)分布，擬合趨勢線用多項式表示如式2。

y=0.0155x4-0.2164x3+0.9745x2-

1.5307x+0.7596

(2)

圖7(b)為矸石塊度分組重量觀測結(jié)果，所有矸石重量基本分布在第三組塊度范圍(40～70cm)、第四組塊度范圍(70～100cm)內(nèi)，總重為750kg，占觀測矸石總重量的85.5%。小塊(<40cm)數(shù)量占比多達66.67%，但重量占比很小，僅占總質(zhì)量的14.5%。相比頂煤，矸石塊度較大且重量較大。

4 結(jié) 論

1)煤巖比例的變化對煤巖整體破壞形態(tài)影響非常明顯，復(fù)合煤巖體的破壞比單一介質(zhì)塊度小，煤體裂隙發(fā)育程度高，復(fù)合煤巖體中煤體有水平裂隙發(fā)育，放頂煤開采中表現(xiàn)為頂煤體層理發(fā)育，當(dāng)含矸厚度較大時，巖體周圍煤體較破碎，但巖體裂隙發(fā)育程度低，不利于頂煤冒放。

2)復(fù)合煤巖體三軸峰值強度比單一介質(zhì)的單軸抗壓強度高，隨著含矸比例升高，含矸煤體三軸抗壓強度與單軸抗壓強度差值越大，在綜放開采過程中，頂煤體中含矸比例越高，整體強度增幅越大，越不易破碎，從而影響頂煤冒放性，降低頂煤回收率。

3)單架順序放煤條件下，隨著含矸比例的增加，頂煤成拱幾率增加，平衡拱尺度增大；隨著頂煤厚度增加，采空區(qū)遺煤總量成倍增加，煤矸分界面形態(tài)起伏逐漸變大至隔斷頂煤狀態(tài)，放煤量與放出率變化的周期性逐漸明顯，放煤量與放出率低值區(qū)和高值區(qū)之比約為1∶3。

4)復(fù)合煤巖體放出塊度體積與重量符合正態(tài)分布，煤矸塊體長度小于40cm的占比為66%，但其重量占比小于15%，煤矸塊體重量主要集中在長度40～100cm范圍，因此，特厚煤層含矸頂煤體提高頂煤回收率的主要方向為提高長度為40～100cm塊體放出效率。