特厚煤層綜放煤-矸-巖放落流動的時序規律及識別方法

劉長友，張寧波，郭鳳岐，安 森，陳寶寶

(1. 中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116; 2. 中國礦業大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 3. 安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

我國在《十三五規劃綱要》等政策中均提出要求加快推進煤炭無人開采等關鍵技術。近年來，礦井安全和煤炭開采成本的競爭機制等因素均促使煤炭行業加快融合先進的生產理念與技術，促進生產方式革新，而煤炭的高效智能化開采正是這一形勢下的必然選擇。

綜采放頂煤技術是我國特厚煤層安全高效開采的主要技術之一,目前，綜放開采技術已在我國大多數特厚煤層工作面應用，并取得了理論與關鍵技術的突破與發展。但綜放開采的放頂煤工序仍然依靠人工按照“見矸關窗”的原則來進行控制，具有很大的人為性，放煤過程中過放和欠放的情況導致資源浪費和影響煤質的情況很難避免。而且綜放工作面放頂煤支架數量多，放煤工序工作環境差，人工控制放煤口的勞動強度大、工作效率低。

近年來，煤礦智能化得到了快速發展，以智能化綜采為技術核心，提升了煤礦的智能化水平，為煤炭工業高質量發展提供了技術支撐。智能化綜采技術的發展，推動了綜放智能化技術研究的不斷深入。由于煤矸識別是實現自動化放煤和綜放智能化開采的技術關鍵，加之在解決這一技術瓶頸上的難度，國內有關專家、學者和科研機構為此開展了大量的研究工作，取得了可喜的進展。中國礦業大學(北京)提出了采用頂煤跟蹤儀對頂煤的運移進行跟蹤并結合煤矸圖像識別實現自動化放煤，山東工商學院等提出了利用煤和矸石圖像數字特征來實現自動放頂煤，山東科技大學等提出了利用聲音和尾梁震動信號煤矸識別法來控制放煤口的動作，河南理工大學提出了微波加熱-紅外探測的主動式煤矸識別方法，華北科技學院等提出了利用震動信號煤矸識別法來控制放煤口的動作，北京天地瑪珂電液控制系統有限公司申請了煤巖界面識別處理器及識別方法的專利，對相關設備進行了研發，并在白洞煤礦等放頂煤工作面進行了試驗。山東大學開展了基于視覺技術、聲波信號小波包變換以及自然γ射線等多種方法的煤矸識別研究，中國礦業大學開展了基于聲波的放頂煤過程自動控制系統的研究。綜上可見，關于綜放開采煤矸的自動識別問題有關專家采用了多種方法和技術手段開展了深入研究，有些成果已進入現場試驗和應用階段。但煤層厚度的不穩定性和放煤空間存在的粉塵、降塵水霧、明暗度、空間噪聲等復雜環境給煤矸識別的準確性和可靠度帶來了很大難度，這也是有關專家學者持續開展此項研究的原因。10多年來，筆者陸續開展了采用近紅外射線、雙能γ射線以及自然γ射線進行煤矸識別的研究，在分析比較其可靠度和可行性的基礎上，提出了基于低水平輻射自然γ射線煤矸識別的方法，開展了有關理論與試驗研究，并在李樓煤礦進行了現場測試分析。

筆者現有的研究工作主要是針對不含夾矸的簡單結構煤層綜放開采頂煤放落過程中的煤矸識別研究，但我國特厚煤層普遍具有含多層夾矸的復雜結構特征，夾矸的存在使得工作面在頂煤放落過程中，放煤口流出混合體將呈現頂煤-夾矸(煤-矸)、頂煤-頂板巖石(煤-巖)和頂煤-夾矸-頂板巖石(煤-矸-巖)3種混合狀態，若不對復雜結構煤層綜放流場中混入頂煤中的矸石來源進行有效區分，則會出現當夾矸由放煤口隨頂煤放出時，因夾矸被誤判為頂板巖石而關閉放煤口的情況，進而造成頂煤資源損失。因此，復雜結構厚煤層綜放開采煤矸自動識別的關鍵不僅要能夠識別流入放煤口的煤矸混合流中的混矸率，還需要識別判斷從放煤口放出的矸石是屬于夾矸層還是頂板巖層，即解決含多層夾矸復雜結構特厚煤層綜放開采流場中煤-矸-巖的自動識別問題，以確保探測識別的準確度，為綜放開采基于自然γ射線的煤矸自動識別提供理論依據。

1 特厚煤層夾矸的賦存特點及自然輻射特性

我國特厚煤層賦存普遍具有含多層夾矸的復雜結構特征，但夾矸的層數、層位、間距、厚度等參數是隨機且復雜的。而且夾矸的巖性多為泥巖類，其自然γ射線輻射特性與直接頂巖層相同，因此，為研究頂煤放落過程中煤-矸-巖的時序規律和輻射特征，需要了解夾矸的賦存特征，測試分析特厚煤層中頂煤、夾矸、頂板巖石所含放射性核素類型、含量、輻射強度等參數，確定其輻射特性和差異化特征，為復雜結構特厚煤層煤矸自動識別奠定基礎。

1.1 典型礦區特厚煤層夾矸的賦存分布特征

統計了大同礦區塔山礦、大同礦區同忻礦、西山礦區斜溝礦、伊泰礦區酸刺溝礦、兗州礦區東灘礦、平朔礦區3號井，5個典型綜放開采礦區6個特厚煤層中夾矸的賦存情況，結果如圖1、表1所示。圖1中數據均為夾矸/煤層的厚度(m)。

圖1 特厚煤層夾矸賦存情況Fig.1 Occurrence of gangue in extra thick coal seam

表1 特厚煤層夾矸及直接頂的賦存巖性

特厚煤層中夾矸賦存的層位、厚度、層數、間距見表2。

表2 夾矸在特厚煤層中的賦存層數分布

由表2可知，特厚煤層中夾矸賦存層數多則可達到20層。大同礦區特厚煤層結構復雜，一般含8～10層夾矸。

統計結果表明，特厚煤層中夾矸巖性主要是以含炭質、高嶺質和砂質的泥巖為主，個別為粉砂巖。直接頂巖性和夾矸的巖性基本相同。圖2為夾矸的厚度、層位及間距分布。

圖2 特厚煤層中夾矸的分布Fig.2 Distribution of gangue in extra thick coal seam

由圖2(a)夾矸厚度的分布可知，夾矸賦存厚度在0.2～0.4 m的有19組，占總數的73%；夾矸賦存厚度在0.4～0.6 m的有3組，占總數的11.5%；賦存厚度在0.6 m以上的僅有2組，厚度小于0.2 m的也僅有2組。綜上，特厚煤層中夾矸賦存厚度主要集中在0.2～0.6 m。

由圖2(b)夾矸賦存層位分布可知，夾矸賦存層位置在6～8,8～10 m的各有6組；在4～6 m的有4組，10～12 m的有5組，而大于12 m的僅有5組。可見，夾矸賦存層位主要分布在4～12 m。

由圖2(c)夾矸賦存間距的分布可知，夾矸賦存間距在0.5～1.0 m的有9組，1.5～2.0 m的有6組；夾矸賦存間距在2～4 m的有6組，在0.5～4.0 m的23組，占總數的95.8%。可見，特厚煤層中夾矸賦存間距主要在0.5～4.0 m。

1.2 夾矸及直接頂放射性輻射特征

為了分析煤層中夾矸和直接頂巖層的放射性輻射特征，選取大同礦區塔山煤礦3～5號煤層三盤區8303工作面條件進行取樣分析。在8303工作面運輸巷距工作面1 000 m處進行鉆孔取心，鉆孔深度30 m，角度40°，鉆孔孔口離地高度1.5 m，取樣鉆孔及煤巖樣如圖3所示。

圖3 取樣鉆孔布置及煤巖樣Fig.3 Sampling borehole layout and samples of coal and rock

對所取高嶺質泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖、煌斑巖樣中的鈾、釷、鉀核素含量和放射性強度進行檢測，結果見表3。

天然沉積的砂質泥巖、炭質泥巖、高嶺質泥巖、煌斑巖中均存在鈾、釷、鉀等元素，但具有放射性的僅為鐳-226(鈾系)、釷-232和鉀-40。對照表3中4種巖樣的照射指數和放射性元素的含量可知，炭質泥巖的放射性強度最大、其次為砂質泥巖與高嶺質泥巖，煌斑巖的放射性強度相對最小。由前期對煤的放射性強度檢測結果表明，煤的放射性強度遠低于巖石，且同類巖石，放射性核素含量相近。因此，當夾矸與直接頂巖性相同時，其放射性強度相近。

表3 直接頂及夾矸放射性檢測結果

2 特厚煤層煤-矸-巖放落流動的時序規律

采用煤矸散體放落試驗系統對特厚煤層煤-矸-巖放落流動的時序規律進行模擬。物理相似模型依據典型礦區特厚煤層夾矸的賦存分布特征進行設計。模型從下到上共設計5層夾矸，分別為G1(黃)、G2(綠)、G3(紅)、G4(青)、G5(粉)。模型幾何相似比為1∶10，總高度19 m，模擬19 m煤巖層，其中采高3.6 m，頂煤(含夾矸)共11.2 m，直接頂巖層4.2 m。夾矸賦存間距選擇0.5,1.0,2.0,3.0 m。夾矸賦存厚度選擇0.2,0.4,0.6,1.0 m。根據塔山煤礦8303工作面作業規程，工作面液壓支架型號為ZF15000/27.5/42，寬度為1.75 m，確定模型液壓支架寬度為17.5 cm。相似模型試驗方案如圖4所示。

圖4 相似模型試驗方案Fig.4 Similar model scheme diagram

2.1 正常放煤期間煤-矸-巖放落流動的時序規律

正常放煤期間主要是指在初次放頂后，頂煤處于正規循環放煤期間。頂煤的放出過程可分為2個階段:① 移架過程中支架后上方頂煤的下落過程；② 頂煤的放出流動過程。

移架過程中，由于放煤支架的前移，改變了煤矸與支架放煤口的相對位置。移架后，支架上方及斜后上方的煤矸向下前方運動，填補了支架原先占有的空間。與此同時，移架前各層夾矸流動跡線位于支架放煤口上方，且按賦存層位的高低依次排列。移架后，各層夾矸流動跡線則落在了放煤口后方，且曲率減小，但各層夾矸流動跡線依然按其賦存層位排列。可見移架不改變各層夾矸間的相對位序，如圖5(a)，(b)所示。

圖5 正常放煤階段的頂煤放出過程Fig.5 Top coal discharge process in normal coal discharge stage

由圖5(b)可知，正常放煤階段在移架后放煤前，各層夾矸呈向下的弧形分布于放煤口后上方，且按賦存層位的高低依次排列，夾矸賦存層位越低，其流動跡線距離支架放煤口越近。由于煤矸在運移過程中的運移斷面不斷收縮，各層夾矸流動跡線距離放煤口越近，夾矸流動跡線間的距離越小。由圖5(c)放煤過程可知，各夾矸層流動跡線從放煤口后方進入并隨著放煤的進行不斷向支架尾梁方向前移，此過程中夾矸持續放出，且夾矸流動跡線間的相對位置順序不發生改變。當直接頂巖石進入放煤口后，放煤口關閉，各層夾矸流動跡線停止前移。由圖5(d)放煤結束后可知，各層夾矸流動跡線停留在支架放煤口上方。

各層夾矸進入放煤口的時間及放落持續時間如圖6所示。

圖6 各層夾矸進入放煤口的時間Fig.6 Gangue in each layer entering the top-coal caving hole during normal coal caving

由圖6可知，G1(黃)和G2(綠)在放煤口打開后同時進入放煤口、G3(紅)在放煤口打開4 s后進入放煤口、G4(青)在放煤口打開13 s后進入放煤口、G5(粉)在放煤口打開26 s后進入放煤口，最后直接頂巖石于放煤口打開38 s后進入放煤口。由此可知，正常放煤期間，G1與G2在放煤口打開后同時進入放煤口，而其余各層夾矸則按時間先后順序進入放煤口，這主要是下位的G1,G2夾矸距離支架近，收斂程度大，其流動跡線距離放煤口最近，因此放煤口打開后，其隨頂煤瞬時混入，使得煤-矸、矸-矸之間都無時間上的先后順序，即呈無時序特征，而其后的幾層夾矸與直接頂由于賦存層位高、間距大，其進入放煤口具有時間上的先后順序，即有時序特征。因此，當頂煤中的夾矸賦存層位較低、間距較小時，進入放煤口的煤-矸-巖在時序上會呈現出煤矸混合-煤-矸-煤-矸-巖的先后順序，即放煤過程中煤-矸-巖會出現混放和漸次放出同時存在的時序特征。

2.2 夾矸賦存參數對煤-矸-巖放落流動時序的影響

夾矸放落的流動跡線是夾矸運移過程的形態體現。頂煤放落過程中，夾矸進入放煤口的時間與煤矸放落的流暢度有關，而夾矸進入放煤口的時序則與其在頂煤中的分布有關，主要受夾矸賦存層位、間距、厚度及放煤步距的影響。

..夾矸賦存層位對其放落時序的影響

夾矸進入放煤口是否具有時序特征取決于夾矸的賦存層位與夾矸間距。由圖5，6的試驗結果可知，夾矸賦存層位越高，其流動跡線的分布距離放煤口越遠。當頂煤中部分夾矸賦存層位較低時，其流動跡線的分布距離放煤口較近，放煤口打開后其隨頂煤瞬時混入，煤-矸、矸-矸之間無時序特征；當夾矸賦存層位達到一定高度時，由于其流動跡線距離放煤口較遠，其在放煤口打開一段時間后才進入，與先進入放煤口的夾矸存在一定的時間差，使得夾矸的放出具有時序特征。因此，存在一個夾矸層位，當夾矸位于該層位之下時，進入放煤口的煤-矸、矸-矸之間無時序特征，將該層位之下的范圍為無時序區；當夾矸位于該層位之上時，進入放煤口的煤-矸、矸-矸之間有時序特征，稱該層位之上的范圍為有時序區。

正常放煤階段，夾矸從放煤口后方進入，其進入放煤口的時間隨著賦存層位的不同而不同。以夾矸在頂煤中的賦存層位為，進入放煤口時間為，得出夾矸在頂煤中賦存層位與其進入放煤口時間的關系如圖7所示。

圖7 正常放煤期間夾矸層位h與放出時間t的關系Fig.7 Relationship between h and t during normal caving

由圖7可知，正常放煤階段夾矸在頂煤中的賦存層位與其進入放煤口的時間呈二次函數增長。即夾矸賦存層位越高，其進入放煤口的時間間隔越大。運用回歸分析，得出夾矸在頂煤中的賦存層位與其進入放煤口時間的回歸公式為

=0.171 9+1.740 2-2.648 4

(1)

以夾矸進入放煤口的時間為1 s時所對應的賦存層位作為有時序區和無時序區的分界，由回歸公式可知，該分界層位為1.8 m，即在正常放煤階段，有時序區和無時序區的分界層位為支架頂梁上方1.8 m處。

夾矸賦存層位對其放落時序的影響表現為當夾矸處在無時序區時，其進入放煤口呈現混放特征；當夾矸處在有時序區時，其進入放煤口呈現漸次放出特征。

..夾矸賦存間距對其放落時序的影響

放頂煤過程中，若夾矸放出有時序特征，則頂煤中各層夾矸從下到上依次進入放煤口，夾矸之間間距不同，其進入放煤口的時間間隔不同。由于2夾矸進入放煤口的間隔時間不僅與其賦存間距有關，還與其賦存層位有關，相同間距的2層夾矸位于不同層位時，進入放煤口的時間間隔是不同的，此處引入2層夾矸間間距與上層夾矸層位之比Δ和2層夾矸進入放煤口的時間差Δ的關系來說明夾矸賦存間距對其放落時序的影響。如比較G2與G1之間間距與其進入放煤口時間差的關系則用Δ=(-)/與Δ=-來表達，依次類推。

正常放煤階段，以G1為基準，統計其與G2,G3,G4,G5和直接頂之間的Δ及進入放煤口的時間差Δ的關系如圖8所示。

圖8 正常放煤期間Δt與Δh的關系Fig.8 Relationship between Δt and Δh during normal caving

由圖8可知，正常放煤階段2層夾矸進入放煤口的時間差Δ與Δ呈指數增長關系。即隨著Δ的增加，2層夾矸進入放煤口的時間差Δ逐漸增加，具體表現為夾矸間的間距越大，其進入放煤口的時間差越大。因此，當夾矸間的賦存間距較小時，其進入放煤口的時間差較小，所體現的時序特征不明顯；而當夾矸間的賦存間距大時，其進入放煤口的時間差也大，進入放煤口的夾矸能體現出明顯的時序特征。

..夾矸賦存厚度對其放落時序的影響

夾矸賦存厚度不同，其破斷特征也不同。放頂煤工藝開采中，當頂煤中夾矸層的賦存厚度<0.3 m時，其多呈片狀和板狀垮落，對頂煤的冒放性影響不大，此時夾矸的厚度對其放落時序無影響，夾矸間仍按照從下到上的順序依次進入放煤口。但當頂煤中夾矸層的賦存厚度>0.4 m時，其多呈大塊狀垮落，且垮落后容易造成放煤口的堵塞，致使其上頂煤、夾矸、直接頂放出受阻，另外，頂煤中的厚層夾矸會以懸臂的形式支托上部頂煤，以至于上部頂煤、直接頂無法及時垮落從而遺留在采空區，此時該層夾矸下方的煤-矸、矸-矸會具有時序特征。

..放煤步距對夾矸放落時序的影響

放煤步距越大，支架前移距離越大，頂煤放落的范圍越大，支架與各層夾矸流動跡線的相對位差就越大，不同放煤步距移架后的夾矸流動跡線分布如圖9所示。

如圖9(a)所示，“1刀1放”時，正常放煤階段，放煤前G1,G2,G3已經位于放煤口上方，G4,G5則位于放煤口后方。如圖9(b)所示，“2刀1放”時，正常放煤階段，放煤前各層夾矸均位于放煤口后方。如圖9(c)，“3刀1放”時，正常放煤階段，各層夾矸距離放煤口較遠，放煤口打開后各層夾矸流動跡線依次進入放煤口，類似于偏轉橢球體的初放階段放煤，各層夾矸的放出具有時序特征。

圖9 不同放煤步距移架后的夾矸流動跡線分布Fig.9 Distribution of the flow trace of the mixed gangue after moving the frame

不同放煤步距條件下夾矸在頂煤中賦存層位與其進入放煤口時間的關系如圖10所示。

圖10 不同放煤步距時h與t的關系Fig.10 Relationship between h and t in different release distance

由圖10(a)可知，“1刀1放”時，正常放煤階段，夾矸在頂煤中的賦存層位與其進入放煤口的時間呈二次函數關系。夾矸賦存層位越高，其進入放煤口的時間間隔越大。運用回歸分析，得出與的回歸公式:

=0.211 2-0.359 6-0.149 7

(2)

“1刀1放”時，G1,G2,G3在放煤口打開后同時混入放煤口，無時序特征，后續G4,G5進入放煤口時則有時序特征。以夾矸進入放煤口的時間為1 s時所對應的賦存層位作為有時序區和無時序區的分界，由回歸公式，該分界層位為3.4 m，即在“1刀1放”正常放煤階段，有時序區和無時序區的夾矸賦存分界層位為3.4 m。

由圖10(b)可知，“2刀1放”時，正常放煤階段，夾矸在頂煤中的賦存層位與其進入放煤口的時間呈二次函數關系。夾矸賦存層位越高，其進入放煤口的時間間隔越大。運用回歸分析，得出與的回歸公式為

=0.171 9+1.740 2-2.648 4

(3)

“2刀1放”時，G1,G2在放煤口打開后同時混入放煤口，無時序特征，后續G3,G4,G5進入放煤口時則有時序特征。以夾矸進入放煤口的時間為1 s時所對應的賦存層位作為有時序區和無時序區的分界，由回歸公式，該分界層位為1.8 m，即在正常放煤階段，有時序區和無時序區的夾矸賦存分界層位為1.8 m。

由圖10(c)可知，“3刀1放”時，正常放煤階段，夾矸在頂煤中的賦存層位與其進入放煤口的時間呈三次函數關系。夾矸賦存層位越高，其進入放煤口的時間間隔越大。運用回歸分析，得出夾矸在頂煤中的賦存層位與其進入放煤口時間的回歸公式為

=0.058 4+0.086 6+1.786 7+0.535

(4)

“3刀1放”時，各層夾矸從下到上依次放出，具有時序特征。以夾矸進入放煤口的時間為1 s時所對應的賦存層位作為有時序區和無時序區的分界，由回歸公式，該分界層位為0.3 m，即在正常放煤階段，有時序區和無時序區的夾矸賦存分界層位為0.3 m。

由此可知，放煤步距越小，有時序區和無時序區的分界層位越高，即無時序區的范圍越大，有時序區的范圍越小。當夾矸賦存層位及層數一定時，隨著放煤步距的減小，處于無時序區的夾矸層數增多，處于有時序區的夾矸層數減小，此時多夾矸時序問題可按少夾矸時序問題考慮。如“1刀1放”時，由于G1,G2,G3在放煤口打開后瞬時混入，無時序特征，則可按1層夾矸考慮，此時5層夾矸的時序問題變為了G1,G2,G3三者與G4,G5的時序問題。

2.3 正常放煤期間煤-矸-巖放落流動的混矸規律

頂煤放落過程中，夾矸的混入量即含矸率對于自然γ射線的輻射強度有著直接的影響。因此，在煤-矸-巖放落流動時序規律研究的基礎上，開展多層夾矸賦存條件下，夾矸放落的混矸規律研究，對于后續煤-矸-巖放落流動中的自然射線輻射特征及識別具有重要的意義。

為了研究夾矸的混入規律，試驗采用見矸(直接頂巖石)關窗的放煤方式。放煤口打開后，勻速拉動模擬刮板輸送機，使放煤口放出的煤矸混合物落入刮板輸送機中。待放煤結束后，將落入刮板輸送機上的頂煤、夾矸混合體等量分段，分段質量2 kg，隨后對各分段夾矸、頂煤分揀稱重。

統計各分段頂煤、夾矸、直接頂巖石和總含矸放出質量及比例見表4。

根據表4數據繪制各層夾矸放出比例變化趨勢圖如圖11所示。

由圖11可知，各層夾矸在隨頂煤放出過程中，其所占比例均在一固定范圍內波動，頂煤中G1的最大比例為9%，最小比例為3%，平均比例為6%，其中最大比例相對平均值浮動3%，最小比例相對平均值浮動3%。G2的最大比例為8%，最小比例為2%，平均比例為5%，其中最大比例相對平均值浮動3%，最小比例相對平均值浮動3%。G3的最大比例為12%，最小比例為6%，平均比例為8%，其中最大比例相對平均值浮動6%，最小比例相對平均值浮動2%。G4的最大比例為13%，最小比例為4%，平均比例為8%，其中最大比例相對平均值浮動5%，最小比例相對平均值浮動4%。G5的最大比例為11%，最小比例為7%，平均比例為9%，其中最大比例相對平均值浮動2%，最小比例相對平均值浮動2%。

總含矸率受夾矸混入時序特征的影響其波動范圍呈臺階狀上升。當G3進入放煤口時，頂煤中總含矸率升高至19%，此后在18%～19%內波動；當G4進入放煤口時，頂煤中總含矸率升高，此后在23%～27%內穩定波動；當G5進入放煤口時，頂煤中總含矸率繼續升高，此后在33%～39%內穩定波動。

表4 各分段頂煤、夾矸、直接頂巖石和總含矸放出質量及比例

圖11 各層夾矸放出比例變化趨勢Fig.11 Variation trend of gangue release proportion in each layer

由此可知，多層夾矸賦存條件下，頂煤放落過程中，夾矸無時序放出時，總含矸率的變化規律為在一固定的范圍內波動，夾矸有時序放出時，后進入放煤口的夾矸會使總含矸率上升一個幅度并繼續在一固定的范圍內波動，隨著多層夾矸的順序進入，總含矸率的波動范圍呈連續臺階式上升，即總含矸率呈現上升—穩定—連續臺階式上升的變化規律。

此外，放出體中夾矸率的波動幅度與放出夾矸的連續性有關。當夾矸賦存厚度小，賦存層位高時，夾矸在放落流動過程中其流動跡線還未進入放煤口即已呈不連續狀態，待夾矸進入放煤口時，其放出量呈現斷斷續續的狀態，導致放出頂煤中夾矸率呈波動狀態。夾矸流動跡線越不連續，放出頂煤中夾矸率波動幅度越大。反之，當夾矸賦存厚度大、破碎程度好、賦存層位低時，夾矸在進入放煤口時，其流動跡線呈連續狀態，此時放煤口放出的夾矸量較均勻，放出頂煤中夾矸率的波動幅度也較小。

3 基于煤-矸-巖放落流動時序特征的自然射線輻射變化規律

為了分析頂煤放落條件下煤-矸-巖的自然射線輻射強度的變化規律，進而分析確定頂煤放落中夾矸和巖石的識別特征參量，根據含多層夾矸頂煤放落流動時序規律及混矸規律的研究結果，設計煤矸識別試驗方案如下。

將煤矸混合體按長0.6 m、寬1.0 m、厚0.3 m的長方體依次鋪設于模擬刮板輸送機中，煤矸混合體總含矸率依次按20%,17%,27%,14%,23%鋪設，模擬無時序影響時總含矸率的變化特征；后續煤矸混合體總含矸率按33%,36%,30%,36%,35%鋪設，模擬受夾矸放落時序影響時總含矸率的變化特征；此后總含矸率按40%,45%,50%,53%,56%,59%,62%,65%,68%,71%依次鋪設，模擬直接頂進入放煤口后總含矸率的變化特征，如圖12所示。

圖12 煤-矸-巖放落輻射特征試驗鋪設示意Fig.12 Laying diagram of coal gangue rock caving model in extra thick coal seam

模型鋪設完畢后，開啟電機以0.3 m/s的速度勻速拉動刮板輸送機，使刮板輸送機上的煤矸混合體勻速通過探測器，統計不同含矸率下煤矸混合體經過探測器時的自然射線輻射強度，并采用移動平均法進行濾波處理，自然射線輻射強度變化趨勢如圖13所示。

由圖13可知，將自然射線輻射強度的變化趨勢按試驗設計總含矸率的變化特征分為無時序影響區、時序影響區和直接頂混入區(圖中紅色虛線分區)，并以自然射線輻射強度的濾波值為參照對象(以下分析中，輻射強度均指濾波值)。

圖13 自然射線輻射強度變化與所對應的含矸率變化對比Fig.13 Comparison diagram of natural ray radiation intensity change and corresponding gangue content change

在無時序影響區內，各層夾矸在放煤口打開后混合進入，無時間上的先后順序，其輻射強度隨著放出頂煤總含矸率的波動在一固定的范圍內平穩地上升下降，呈現相對穩定的變化，輻射強度的變化范圍在54～60 cps。

在時序影響區內，受夾矸混入時序特征的影響，當后續夾矸進入放煤口時，總含矸率上升一個幅度后繼續在一固定范圍內穩定波動。與此同時，輻射強度呈現相對穩定的變化，但輻射強度值較無時序影響區明顯增大，呈現臺階式上升。其上升的原因是由于總含矸率增加的同時煤矸混合體中的矸石量也在增加，因此自然γ射線的輻射強度也隨之增加。時序影響區內，輻射強度的變化范圍在61～71 cps。

在直接頂混入區內，總含矸率呈線性增加趨勢。與此同時，自然γ射線的輻射強度也逐漸增大。當煤矸混合體總含矸率>56%時(圖13中計數值300～400)，輻射強度的上升趨勢不再明顯。直接頂混入區內，輻射強度的變化范圍在71～89 cps。

綜上，復雜結構特厚煤層煤-矸-巖放落過程中自然射線的輻射特征為：無時序影響區內，輻射強度呈相對穩定的變化；時序影響區內，輻射強度明顯增大，并呈現臺階式上升；直接頂混入區內，輻射強度呈現逐漸增大的變化趨勢。

4 煤-矸-巖識別方法及現場試驗

4.1 復雜結構特厚煤層綜放煤-矸-巖識別方法

根據復雜結構特厚煤層煤-矸-巖放落過程中自然射線的輻射強度在無時序影響區內隨著放出頂煤總含矸率的波動在一固定的范圍內穩定變化的特征，可知存在一個輻射強度的變化范圍(試驗中為54～60 cps)，當輻射強度在該范圍內時，說明放出頂煤中為頂煤和低位夾矸混合體；根據自然射線的輻射強度在時序影響區呈明顯增大，并呈現臺階式上升的特征，可知存在一個輻射強度的變化范圍(試驗中為61～71 cps)，當輻射強度在該范圍內時，說明具有時序特征的夾矸進入了放煤口；根據直接頂混入區內自然射線的輻射強度呈現逐漸增大的特征，可知存在一個輻射強度的變化范圍(試驗中為71～89 cps)，當輻射強度在該范圍內時，說明直接頂巖石進入了放煤口。

取直接頂混入前后自然射線的輻射強度(圖13中計數值181～220)進行分析，見表5。

表5 直接頂混入前后的自然射線輻射強度

由表5可知，在直接頂混入前后，隨著計數值的增加，自然射線輻射強度整體呈逐漸增大的趨勢，部分點存在波動。又由圖13可知直接頂在計數值為200時混入。分析表5數據可知，當計數值為200時，所對應的輻射強度為71 cps。當計數值為181～200時，輻射強度整體呈逐漸增大的趨勢，且在計數值為199時達到最大輻射強度71 cps；當計數值為200～220時，輻射強度整體呈逐漸增大的趨勢，部分點存在波動，但所有輻射強度均≥71 cps。同時，分析圖13中計數值為0～400時對應的輻射強度得知，在計數值為0～199時，所有輻射強度均<71 cps；在計數值為209～400時，所有輻射強度均≥71 cps。由此說明，直接頂混入時所對應的輻射強度(計數值200對應的71 cps)，僅可能出現在該值周邊±10個計數值內。又由表5得知，在該輻射強度出現后的10個計數值內(計數值199～208)，有9個輻射強度等于該值，有1個大于該值；在該輻射強度出現后的10～20個計數值內(計數值209～218)，其所對應的輻射強度全部大于該值，同時由圖14可知計數值在218～400所對應的輻射強度也全部大于該值。

圖14 不同關窗方式下的綜放工作面煤-矸-巖識別方法Fig.14 Identification method of coal gangue rock in fully mechanized top coal caving face under different window closing modes

由此可知，直接頂混入時輻射強度的變化規律為：直接頂進入時所對應的輻射強度僅可能出現在該值周邊±10個計數值內，且該值出現后的10個計數值內即有輻射強度值大于該值，10個計數值之后的所有計數值對應的輻射強度值全部大于該值。若以直接頂進入時所對應的輻射強度為參照，則直接頂進入前所有探測到的輻射強度值均小于等于該值，直接頂進入后所有探測到的輻射強度值均大于等于該值。

基于以上分析，以自然γ射線輻射強度值作為識別參數，提出復雜結構特厚煤層綜放煤-矸-巖的識別方法如下：

(1)關窗方式為見矸(直接頂)關窗。在頂煤放落過程中，以直接頂混入時所對應的輻射強度作為關窗預警值，當探測器探測到的輻射強度值等于關窗預警值時即預警，并對此后的輻射強度值持續監測，當后續出現的輻射強度值大于該值時，即判定為直接頂巖石混入，此時關閉放煤口。根據直接頂混入時輻射強度值的變化規律，當探測器計數周期為0.1 s，在直接頂混入1 s內即可實現關窗。

(2)關窗方式為達到一定含矸率關窗。在頂煤放落過程中，以關窗含矸率所對應的輻射強度值作為關窗預警值，當探測器探測到的輻射強度值等于關窗預警值時即預警，并對此后的輻射強度值持續監測，當后續出現的輻射強度值大于該值時，即判定為含矸率達到要求，此時關閉放煤口。根據直接頂混入時輻射強度值的變化規律，當探測器計數周期為0.1 s，在達到該含矸率1 s內即可實現關窗。

基于以上識別方法，提出識別參數的確定方法如下：

(1)關窗方式為見矸(直接頂)關窗。由于直接頂進入即關窗無法確定放出頂煤中的總含矸率，因此采用現場實測的方式確定直接頂進入時所對應的自然射線輻射強度。其方式為將探測器置于放煤口附近預定探測位置(如支架尾梁下方)，開啟探測器對放落煤矸進行探測，直至直接頂混入。隨后對探測得到的輻射強度計數值進行分析，由直接頂混入時輻射強度的變化特征及輻射強度的變化規律可以確定直接頂混入時所對應的輻射強度，并以此作為識別直接頂混入時所對應的輻射強度。

(2)關窗方式為達到一定含矸率關窗。由于要求的關窗含矸率已給出，利用式(5)對該含矸率所對應的輻射強度進行計算，求得該含矸率所對應的自然射線輻射強度，并以此作為該識別方法中關窗含矸率所對應的輻射強度。

(5)

式中，為輻射強度；為矸石放射性濃度；為煤的密度；為矸石密度；為矸石的質量分數；為煤對自然射線的質量衰減系數；為矸石對自然射線的質量衰減系數。

基于復雜結構特厚煤層綜放煤-矸-巖識別方法下的放煤工藝控制流程如圖15所示(識別參數已給定的情況下)。

4.2 現場試驗

基于所形成的復雜結構特厚煤層綜放煤-矸-巖識別方法，2021年7月在晉能控股塔山煤礦8303綜放工作面進行了現場應用測試，所采用的的探測器為KZT12礦用本安型煤矸識別探測器(防爆合格證號：CCCMT20.0525)，該探測器為筆者基于自然γ射線煤矸識別技術所研發，能夠實時(采樣周期0.1 s)識別放煤口的矸石混入情況，并將混矸率以數字的形式呈現于顯示終端。將煤矸識別探測器安裝于放煤口上方，對放煤過程中放煤口的輻射進行實時監測，具體如圖16所示。

圖15 基于煤矸自動識別的復雜結構特厚煤層放煤工藝控制流程Fig.15 Coal gangue identification technology in complex structure extra thick coal seam and control flow of coal drawing process

由圖16及現場觀測可知，本次放煤試驗時間約為260 s：放煤開始至36 s內，輻射曲線保持穩定，此時放出物為純煤；36 s后，輻射曲線有一個明顯的升高并保持相對穩定至90 s，此時為無時序混矸階段；90～170 s內，輻射強度逐漸上升，并且在99,111和124 s處出現階段峰值，此時放煤為有時序混矸階段，但未出現直接頂矸石；170 s后，輻射曲線隨著放煤時間的延長再次出現明顯的升高且出現明顯的震蕩，此時直接頂矸石混入，且通過觀察，有大塊頂板巖石出現，決定不再放煤，于226 s時執行關窗操作。

圖16 8303綜放工作面放頂煤煤-矸-巖識別試驗數據Fig.16 Test data of coal-gangue-rock detection in 8303 top coal caving workface

本次放頂煤現場應用測試的結果，驗證了采用自然γ射線技術進行復雜結構特厚煤層綜放開采煤矸巖識別的可靠性，該技術能夠精確探測放煤口煤矸流中矸石含量的變化并實時響應，進而為放煤口的動作做出指導。

5 結 論

(1)復雜結構特厚煤層常見的幾種夾矸和頂板巖石中，炭質泥巖的放射性強度最大、其次為砂質泥巖與高嶺質泥巖，且兩者的放射性強度相等、煌斑巖的放射性強度相對最小，當夾矸與直接頂巖性相同時，其放射性強度相近。煤的放射性強度最低。

(2)正常放煤期間當頂煤中部分夾矸賦存層位較低、間距較小時，放煤過程中煤-矸-巖會出現混放和漸次放出同時存在的時序特征。

(3)夾矸的混矸規律為在一固定的范圍內波動，而直接頂的混矸規律為線性上升。放出頂煤總含矸率的變化規律為：當夾矸無時序放出時，總含矸率在一固定的范圍內波動。當夾矸有時序放出時，總含矸率呈現上升—穩定—連續臺階式上升的變化規律；直接頂矸石的混入，造成總含矸率呈線性增加趨勢。

(4)當探測器前方煤矸整體厚度達到0.6 m時，輻射強度已接近飽和，不再隨后續矸石的增加而發生明顯變化。在探測器前方0.6 m內，當夾矸層數或厚度增加時，探測器探測到的輻射強度隨之增加。多層夾矸賦存條件下，夾矸間的間距越大，探測到的總輻射越低，厚層夾矸對總輻射的貢獻隨著其流動跡線的前移逐漸增大。

(5)復雜結構特厚煤層煤-矸-巖放落過程中自然射線的輻射特征為：無時序影響區內，輻射強度呈相對穩定的變化；時序影響區內，輻射強度明顯增大，并呈現臺階式上升；直接頂混入區內，輻射強度呈現逐漸增大的變化趨勢。

(6)基于復雜結構特厚煤層煤-矸-巖放落過程中自然射線的輻射特征及直接頂混入時輻射強度的變化規律，以自然γ射線輻射強度作為識別參數，提出了復雜結構特厚煤層綜放煤-矸-巖的識別方法，并進行了現場測試，取得了預期的識別效果。

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