劉長(zhǎng)友，張寧波，郭鳳岐，安 森，陳寶寶

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 3. 安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

我國(guó)在《十三五規(guī)劃綱要》等政策中均提出要求加快推進(jìn)煤炭無(wú)人開(kāi)采等關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)，礦井安全和煤炭開(kāi)采成本的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制等因素均促使煤炭行業(yè)加快融合先進(jìn)的生產(chǎn)理念與技術(shù)，促進(jìn)生產(chǎn)方式革新，而煤炭的高效智能化開(kāi)采正是這一形勢(shì)下的必然選擇。

綜采放頂煤技術(shù)是我國(guó)特厚煤層安全高效開(kāi)采的主要技術(shù)之一,目前，綜放開(kāi)采技術(shù)已在我國(guó)大多數(shù)特厚煤層工作面應(yīng)用，并取得了理論與關(guān)鍵技術(shù)的突破與發(fā)展。但綜放開(kāi)采的放頂煤工序仍然依靠人工按照“見(jiàn)矸關(guān)窗”的原則來(lái)進(jìn)行控制，具有很大的人為性，放煤過(guò)程中過(guò)放和欠放的情況導(dǎo)致資源浪費(fèi)和影響煤質(zhì)的情況很難避免。而且綜放工作面放頂煤支架數(shù)量多，放煤工序工作環(huán)境差，人工控制放煤口的勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。

近年來(lái)，煤礦智能化得到了快速發(fā)展，以智能化綜采為技術(shù)核心，提升了煤礦的智能化水平，為煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了技術(shù)支撐。智能化綜采技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了綜放智能化技術(shù)研究的不斷深入。由于煤矸識(shí)別是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化放煤和綜放智能化開(kāi)采的技術(shù)關(guān)鍵，加之在解決這一技術(shù)瓶頸上的難度，國(guó)內(nèi)有關(guān)專(zhuān)家、學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)為此開(kāi)展了大量的研究工作，取得了可喜的進(jìn)展。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)提出了采用頂煤跟蹤儀對(duì)頂煤的運(yùn)移進(jìn)行跟蹤并結(jié)合煤矸圖像識(shí)別實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化放煤，山東工商學(xué)院等提出了利用煤和矸石圖像數(shù)字特征來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放頂煤，山東科技大學(xué)等提出了利用聲音和尾梁震動(dòng)信號(hào)煤矸識(shí)別法來(lái)控制放煤口的動(dòng)作，河南理工大學(xué)提出了微波加熱-紅外探測(cè)的主動(dòng)式煤矸識(shí)別方法，華北科技學(xué)院等提出了利用震動(dòng)信號(hào)煤矸識(shí)別法來(lái)控制放煤口的動(dòng)作，北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司申請(qǐng)了煤巖界面識(shí)別處理器及識(shí)別方法的專(zhuān)利，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了研發(fā)，并在白洞煤礦等放頂煤工作面進(jìn)行了試驗(yàn)。山東大學(xué)開(kāi)展了基于視覺(jué)技術(shù)、聲波信號(hào)小波包變換以及自然γ射線(xiàn)等多種方法的煤矸識(shí)別研究，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開(kāi)展了基于聲波的放頂煤過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。綜上可見(jiàn)，關(guān)于綜放開(kāi)采煤矸的自動(dòng)識(shí)別問(wèn)題有關(guān)專(zhuān)家采用了多種方法和技術(shù)手段開(kāi)展了深入研究，有些成果已進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用階段。但煤層厚度的不穩(wěn)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(fù)雜環(huán)境給煤矸識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠度帶來(lái)了很大難度，這也是有關(guān)專(zhuān)家學(xué)者持續(xù)開(kāi)展此項(xiàng)研究的原因。10多年來(lái)，筆者陸續(xù)開(kāi)展了采用近紅外射線(xiàn)、雙能γ射線(xiàn)以及自然γ射線(xiàn)進(jìn)行煤矸識(shí)別的研究，在分析比較其可靠度和可行性的基礎(chǔ)上，提出了基于低水平輻射自然γ射線(xiàn)煤矸識(shí)別的方法，開(kāi)展了有關(guān)理論與試驗(yàn)研究，并在李樓煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析。

筆者現(xiàn)有的研究工作主要是針對(duì)不含夾矸的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)煤層綜放開(kāi)采頂煤放落過(guò)程中的煤矸識(shí)別研究，但我國(guó)特厚煤層普遍具有含多層夾矸的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征，夾矸的存在使得工作面在頂煤放落過(guò)程中，放煤口流出混合體將呈現(xiàn)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(tài)，若不對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層綜放流場(chǎng)中混入頂煤中的矸石來(lái)源進(jìn)行有效區(qū)分，則會(huì)出現(xiàn)當(dāng)夾矸由放煤口隨頂煤放出時(shí)，因夾矸被誤判為頂板巖石而關(guān)閉放煤口的情況，進(jìn)而造成頂煤資源損失。因此，復(fù)雜結(jié)構(gòu)厚煤層綜放開(kāi)采煤矸自動(dòng)識(shí)別的關(guān)鍵不僅要能夠識(shí)別流入放煤口的煤矸混合流中的混矸率，還需要識(shí)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(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層綜放開(kāi)采流場(chǎng)中煤-矸-巖的自動(dòng)識(shí)別問(wèn)題，以確保探測(cè)識(shí)別的準(zhǔn)確度，為綜放開(kāi)采基于自然γ射線(xiàn)的煤矸自動(dòng)識(shí)別提供理論依據(jù)。

1 特厚煤層夾矸的賦存特點(diǎn)及自然輻射特性

我國(guó)特厚煤層賦存普遍具有含多層夾矸的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征，但夾矸的層數(shù)、層位、間距、厚度等參數(shù)是隨機(jī)且復(fù)雜的。而且?jiàn)A矸的巖性多為泥巖類(lèi)，其自然γ射線(xiàn)輻射特性與直接頂巖層相同，因此，為研究頂煤放落過(guò)程中煤-矸-巖的時(shí)序規(guī)律和輻射特征，需要了解夾矸的賦存特征，測(cè)試分析特厚煤層中頂煤、夾矸、頂板巖石所含放射性核素類(lèi)型、含量、輻射強(qiáng)度等參數(shù)，確定其輻射特性和差異化特征，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層煤矸自動(dòng)識(shí)別奠定基礎(chǔ)。

1.1 典型礦區(qū)特厚煤層夾矸的賦存分布特征

統(tǒng)計(jì)了大同礦區(qū)塔山礦、大同礦區(qū)同忻礦、西山礦區(qū)斜溝礦、伊泰礦區(qū)酸刺溝礦、兗州礦區(qū)東灘礦、平朔礦區(qū)3號(hào)井，5個(gè)典型綜放開(kāi)采礦區(qū)6個(gè)特厚煤層中夾矸的賦存情況，結(jié)果如圖1、表1所示。圖1中數(shù)據(jù)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?shù)馁x存巖性

特厚煤層中夾矸賦存的層位、厚度、層數(shù)、間距見(jiàn)表2。

表2 夾矸在特厚煤層中的賦存層數(shù)分布

由表2可知，特厚煤層中夾矸賦存層數(shù)多則可達(dá)到20層。大同礦區(qū)特厚煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含8～10層夾矸。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，特厚煤層中夾矸巖性主要是以含炭質(zhì)、高嶺質(zhì)和砂質(zhì)的泥巖為主，個(gè)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(shù)的73%；夾矸賦存厚度在0.4～0.6 m的有3組，占總數(shù)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?？梢?jiàn)，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(shù)的95.8%。可見(jiàn)，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(qū)塔山煤礦3～5號(hào)煤層三盤(pán)區(qū)8303工作面條件進(jìn)行取樣分析。在8303工作面運(yùn)輸巷距工作面1 000 m處進(jìn)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(duì)所取高嶺質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、煌斑巖樣中的鈾、釷、鉀核素含量和放射性強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。

天然沉積的砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)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(duì)照表3中4種巖樣的照射指數(shù)和放射性元素的含量可知，炭質(zhì)泥巖的放射性強(qiáng)度最大、其次為砂質(zhì)泥巖與高嶺質(zhì)泥巖，煌斑巖的放射性強(qiáng)度相對(duì)最小。由前期對(duì)煤的放射性強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果表明，煤的放射性強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖石，且同類(lèi)巖石，放射性核素含量相近。因此，當(dāng)夾矸與直接頂巖性相同時(shí)，其放射性強(qiáng)度相近。

表3 直接頂及夾矸放射性檢測(cè)結(jié)果

2 特厚煤層煤-矸-巖放落流動(dòng)的時(shí)序規(guī)律

采用煤矸散體放落試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)特厚煤層煤-矸-巖放落流動(dòng)的時(shí)序規(guī)律進(jìn)行模擬。物理相似模型依據(jù)典型礦區(qū)特厚煤層夾矸的賦存分布特征進(jìn)行設(shè)計(jì)。模型從下到上共設(shè)計(jì)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(jù)塔山煤礦8303工作面作業(yè)規(guī)程，工作面液壓支架型號(hào)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(yàn)方案如圖4所示。

圖4 相似模型試驗(yàn)方案Fig.4 Similar model scheme diagram

2.1 正常放煤期間煤-矸-巖放落流動(dòng)的時(shí)序規(guī)律

正常放煤期間主要是指在初次放頂后，頂煤處于正規(guī)循環(huán)放煤期間。頂煤的放出過(guò)程可分為2個(gè)階段:① 移架過(guò)程中支架后上方頂煤的下落過(guò)程；② 頂煤的放出流動(dòng)過(guò)程。

移架過(guò)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(duì)位置。移架后，支架上方及斜后上方的煤矸向下前方運(yùn)動(dòng)，填補(bǔ)了支架原先占有的空間。與此同時(shí)，移架前各層夾矸流動(dòng)跡線(xiàn)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(dòng)跡線(xiàn)則落在了放煤口后方，且曲率減小，但各層夾矸流動(dòng)跡線(xiàn)依然按其賦存層位排列。可見(jiàn)移架不改變各層夾矸間的相對(duì)位序，如圖5(a)，(b)所示。

圖5 正常放煤階段的頂煤放出過(guò)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(dòng)跡線(xiàn)距離支架放煤口越近。由于煤矸在運(yùn)移過(guò)程中的運(yùn)移斷面不斷收縮，各層夾矸流動(dòng)跡線(xiàn)距離放煤口越近，夾矸流動(dòng)跡線(xiàn)間的距離越小。由圖5(c)放煤過(guò)程可知，各夾矸層流動(dòng)跡線(xiàn)從放煤口后方進(jìn)入并隨著放煤的進(jìn)行不斷向支架尾梁方向前移，此過(guò)程中夾矸持續(xù)放出，且?jiàn)A矸流動(dòng)跡線(xiàn)間的相對(duì)位置順序不發(fā)生改變。當(dāng)直接頂巖石進(jìn)入放煤口后，放煤口關(guān)閉，各層夾矸流動(dòng)跡線(xiàn)停止前移。由圖5(d)放煤結(jié)束后可知，各層夾矸流動(dòng)跡線(xiàn)停留在支架放煤口上方。

各層夾矸進(jìn)入放煤口的時(shí)間及放落持續(xù)時(shí)間如圖6所示。

圖6 各層夾矸進(jìn)入放煤口的時(shí)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(kāi)后同時(shí)進(jìn)入放煤口、G3(紅)在放煤口打開(kāi)4 s后進(jìn)入放煤口、G4(青)在放煤口打開(kāi)13 s后進(jìn)入放煤口、G5(粉)在放煤口打開(kāi)26 s后進(jìn)入放煤口，最后直接頂巖石于放煤口打開(kāi)38 s后進(jìn)入放煤口。由此可知，正常放煤期間，G1與G2在放煤口打開(kāi)后同時(shí)進(jìn)入放煤口，而其余各層夾矸則按時(shí)間先后順序進(jìn)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(dòng)跡線(xiàn)距離放煤口最近，因此放煤口打開(kāi)后，其隨頂煤瞬時(shí)混入，使得煤-矸、矸-矸之間都無(wú)時(shí)間上的先后順序，即呈無(wú)時(shí)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(jìn)入放煤口具有時(shí)間上的先后順序，即有時(shí)序特征。因此，當(dāng)頂煤中的夾矸賦存層位較低、間距較小時(shí)，進(jìn)入放煤口的煤-矸-巖在時(shí)序上會(huì)呈現(xiàn)出煤矸混合-煤-矸-煤-矸-巖的先后順序，即放煤過(guò)程中煤-矸-巖會(huì)出現(xiàn)混放和漸次放出同時(shí)存在的時(shí)序特征。

2.2 夾矸賦存參數(shù)對(duì)煤-矸-巖放落流動(dòng)時(shí)序的影響

夾矸放落的流動(dòng)跡線(xiàn)是夾矸運(yùn)移過(guò)程的形態(tài)體現(xiàn)。頂煤放落過(guò)程中，夾矸進(jìn)入放煤口的時(shí)間與煤矸放落的流暢度有關(guān)，而夾矸進(jìn)入放煤口的時(shí)序則與其在頂煤中的分布有關(guān)，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(duì)其放落時(shí)序的影響

夾矸進(jìn)入放煤口是否具有時(shí)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(yàn)結(jié)果可知，夾矸賦存層位越高，其流動(dòng)跡線(xiàn)的分布距離放煤口越遠(yuǎn)。當(dāng)頂煤中部分夾矸賦存層位較低時(shí)，其流動(dòng)跡線(xiàn)的分布距離放煤口較近，放煤口打開(kāi)后其隨頂煤瞬時(shí)混入，煤-矸、矸-矸之間無(wú)時(shí)序特征；當(dāng)夾矸賦存層位達(dá)到一定高度時(shí)，由于其流動(dòng)跡線(xiàn)距離放煤口較遠(yuǎn)，其在放煤口打開(kāi)一段時(shí)間后才進(jìn)入，與先進(jìn)入放煤口的夾矸存在一定的時(shí)間差，使得夾矸的放出具有時(shí)序特征。因此，存在一個(gè)夾矸層位，當(dāng)夾矸位于該層位之下時(shí)，進(jìn)入放煤口的煤-矸、矸-矸之間無(wú)時(shí)序特征，將該層位之下的范圍為無(wú)時(shí)序區(qū)；當(dāng)夾矸位于該層位之上時(shí)，進(jìn)入放煤口的煤-矸、矸-矸之間有時(shí)序特征，稱(chēng)該層位之上的范圍為有時(shí)序區(qū)。

正常放煤階段，夾矸從放煤口后方進(jìn)入，其進(jìn)入放煤口的時(shí)間隨著賦存層位的不同而不同。以?shī)A矸在頂煤中的賦存層位為，進(jìn)入放煤口時(shí)間為，得出夾矸在頂煤中賦存層位與其進(jìn)入放煤口時(shí)間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 正常放煤期間夾矸層位h與放出時(shí)間t的關(guān)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(jìn)入放煤口的時(shí)間呈二次函數(shù)增長(zhǎng)。即夾矸賦存層位越高，其進(jìn)入放煤口的時(shí)間間隔越大。運(yùn)用回歸分析，得出夾矸在頂煤中的賦存層位與其進(jìn)入放煤口時(shí)間的回歸公式為

=0.171 9+1.740 2-2.648 4

(1)

以?shī)A矸進(jìn)入放煤口的時(shí)間為1 s時(shí)所對(duì)應(yīng)的賦存層位作為有時(shí)序區(qū)和無(wú)時(shí)序區(qū)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(shí)序區(qū)和無(wú)時(shí)序區(qū)的分界層位為支架頂梁上方1.8 m處。

夾矸賦存層位對(duì)其放落時(shí)序的影響表現(xiàn)為當(dāng)夾矸處在無(wú)時(shí)序區(qū)時(shí)，其進(jìn)入放煤口呈現(xiàn)混放特征；當(dāng)夾矸處在有時(shí)序區(qū)時(shí)，其進(jìn)入放煤口呈現(xiàn)漸次放出特征。

..夾矸賦存間距對(duì)其放落時(shí)序的影響

放頂煤過(guò)程中，若夾矸放出有時(shí)序特征，則頂煤中各層夾矸從下到上依次進(jìn)入放煤口，夾矸之間間距不同，其進(jìn)入放煤口的時(shí)間間隔不同。由于2夾矸進(jìn)入放煤口的間隔時(shí)間不僅與其賦存間距有關(guān)，還與其賦存層位有關(guān)，相同間距的2層夾矸位于不同層位時(shí)，進(jìn)入放煤口的時(shí)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(jìn)入放煤口的時(shí)間差Δ的關(guān)系來(lái)說(shuō)明夾矸賦存間距對(duì)其放落時(shí)序的影響。如比較G2與G1之間間距與其進(jìn)入放煤口時(shí)間差的關(guān)系則用Δ=(-)/與Δ=-來(lái)表達(dá)，依次類(lèi)推。

正常放煤階段，以G1為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)其與G2,G3,G4,G5和直接頂之間的Δ及進(jìn)入放煤口的時(shí)間差Δ的關(guān)系如圖8所示。

圖8 正常放煤期間Δt與Δh的關(guān)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(jìn)入放煤口的時(shí)間差Δ與Δ呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。即隨著Δ的增加，2層夾矸進(jìn)入放煤口的時(shí)間差Δ逐漸增加，具體表現(xiàn)為夾矸間的間距越大，其進(jìn)入放煤口的時(shí)間差越大。因此，當(dāng)夾矸間的賦存間距較小時(shí)，其進(jìn)入放煤口的時(shí)間差較小，所體現(xiàn)的時(shí)序特征不明顯；而當(dāng)夾矸間的賦存間距大時(shí)，其進(jìn)入放煤口的時(shí)間差也大，進(jìn)入放煤口的夾矸能體現(xiàn)出明顯的時(shí)序特征。

..夾矸賦存厚度對(duì)其放落時(shí)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(kāi)采中，當(dāng)頂煤中夾矸層的賦存厚度<0.3 m時(shí)，其多呈片狀和板狀垮落，對(duì)頂煤的冒放性影響不大，此時(shí)夾矸的厚度對(duì)其放落時(shí)序無(wú)影響，夾矸間仍按照從下到上的順序依次進(jìn)入放煤口。但當(dāng)頂煤中夾矸層的賦存厚度>0.4 m時(shí)，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(huì)以懸臂的形式支托上部頂煤，以至于上部頂煤、直接頂無(wú)法及時(shí)垮落從而遺留在采空區(qū)，此時(shí)該層夾矸下方的煤-矸、矸-矸會(huì)具有時(shí)序特征。

..放煤步距對(duì)夾矸放落時(shí)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(dòng)跡線(xiàn)的相對(duì)位差就越大，不同放煤步距移架后的夾矸流動(dòng)跡線(xiàn)分布如圖9所示。

如圖9(a)所示，“1刀1放”時(shí)，正常放煤階段，放煤前G1,G2,G3已經(jīng)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(shí)，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(shí)，正常放煤階段，各層夾矸距離放煤口較遠(yuǎn)，放煤口打開(kāi)后各層夾矸流動(dòng)跡線(xiàn)依次進(jìn)入放煤口，類(lèi)似于偏轉(zhuǎn)橢球體的初放階段放煤，各層夾矸的放出具有時(shí)序特征。

圖9 不同放煤步距移架后的夾矸流動(dòng)跡線(xiàn)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(jìn)入放煤口時(shí)間的關(guān)系如圖10所示。

圖10 不同放煤步距時(shí)h與t的關(guān)系Fig.10 Relationship between h and t in different release distance

由圖10(a)可知，“1刀1放”時(shí)，正常放煤階段，夾矸在頂煤中的賦存層位與其進(jìn)入放煤口的時(shí)間呈二次函數(shù)關(guān)系。夾矸賦存層位越高，其進(jìn)入放煤口的時(shí)間間隔越大。運(yùn)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(shí)，G1,G2,G3在放煤口打開(kāi)后同時(shí)混入放煤口，無(wú)時(shí)序特征，后續(xù)G4,G5進(jìn)入放煤口時(shí)則有時(shí)序特征。以?shī)A矸進(jìn)入放煤口的時(shí)間為1 s時(shí)所對(duì)應(yīng)的賦存層位作為有時(shí)序區(qū)和無(wú)時(shí)序區(qū)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(shí)序區(qū)和無(wú)時(shí)序區(qū)的夾矸賦存分界層位為3.4 m。

由圖10(b)可知，“2刀1放”時(shí)，正常放煤階段，夾矸在頂煤中的賦存層位與其進(jìn)入放煤口的時(shí)間呈二次函數(shù)關(guān)系。夾矸賦存層位越高，其進(jìn)入放煤口的時(shí)間間隔越大。運(yùn)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(shí)，G1,G2在放煤口打開(kāi)后同時(shí)混入放煤口，無(wú)時(shí)序特征，后續(xù)G3,G4,G5進(jìn)入放煤口時(shí)則有時(shí)序特征。以?shī)A矸進(jìn)入放煤口的時(shí)間為1 s時(shí)所對(duì)應(yīng)的賦存層位作為有時(shí)序區(qū)和無(wú)時(shí)序區(qū)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(shí)序區(qū)和無(wú)時(shí)序區(qū)的夾矸賦存分界層位為1.8 m。

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

=0.058 4+0.086 6+1.786 7+0.535

(4)

“3刀1放”時(shí)，各層夾矸從下到上依次放出，具有時(shí)序特征。以?shī)A矸進(jìn)入放煤口的時(shí)間為1 s時(shí)所對(duì)應(yīng)的賦存層位作為有時(shí)序區(qū)和無(wú)時(shí)序區(qū)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(shí)序區(qū)和無(wú)時(shí)序區(qū)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(shí)序區(qū)和無(wú)時(shí)序區(qū)的分界層位越高，即無(wú)時(shí)序區(qū)的范圍越大，有時(shí)序區(qū)的范圍越小。當(dāng)夾矸賦存層位及層數(shù)一定時(shí)，隨著放煤步距的減小，處于無(wú)時(shí)序區(qū)的夾矸層數(shù)增多，處于有時(shí)序區(qū)的夾矸層數(shù)減小，此時(shí)多夾矸時(shí)序問(wèn)題可按少夾矸時(shí)序問(wèn)題考慮。如“1刀1放”時(shí)，由于G1,G2,G3在放煤口打開(kāi)后瞬時(shí)混入，無(wú)時(shí)序特征，則可按1層夾矸考慮，此時(shí)5層夾矸的時(shí)序問(wèn)題變?yōu)榱薌1,G2,G3三者與G4,G5的時(shí)序問(wèn)題。

2.3 正常放煤期間煤-矸-巖放落流動(dòng)的混矸規(guī)律

頂煤放落過(guò)程中，夾矸的混入量即含矸率對(duì)于自然γ射線(xiàn)的輻射強(qiáng)度有著直接的影響。因此，在煤-矸-巖放落流動(dòng)時(shí)序規(guī)律研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展多層夾矸賦存條件下，夾矸放落的混矸規(guī)律研究，對(duì)于后續(xù)煤-矸-巖放落流動(dòng)中的自然射線(xiàn)輻射特征及識(shí)別具有重要的意義。

為了研究夾矸的混入規(guī)律，試驗(yàn)采用見(jiàn)矸(直接頂巖石)關(guān)窗的放煤方式。放煤口打開(kāi)后，勻速拉動(dòng)模擬刮板輸送機(jī)，使放煤口放出的煤矸混合物落入刮板輸送機(jī)中。待放煤結(jié)束后，將落入刮板輸送機(jī)上的頂煤、夾矸混合體等量分段，分段質(zhì)量2 kg，隨后對(duì)各分段夾矸、頂煤分揀稱(chēng)重。

統(tǒng)計(jì)各分段頂煤、夾矸、直接頂巖石和總含矸放出質(zhì)量及比例見(jiàn)表4。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)繪制各層夾矸放出比例變化趨勢(shì)圖如圖11所示。

由圖11可知，各層夾矸在隨頂煤放出過(guò)程中，其所占比例均在一固定范圍內(nèi)波動(dòng)，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(duì)平均值浮動(dòng)3%，最小比例相對(duì)平均值浮動(dòng)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(duì)平均值浮動(dòng)3%，最小比例相對(duì)平均值浮動(dòng)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(duì)平均值浮動(dòng)6%，最小比例相對(duì)平均值浮動(dòng)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(duì)平均值浮動(dòng)5%，最小比例相對(duì)平均值浮動(dòng)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(duì)平均值浮動(dòng)2%，最小比例相對(duì)平均值浮動(dòng)2%。

總含矸率受夾矸混入時(shí)序特征的影響其波動(dòng)范圍呈臺(tái)階狀上升。當(dāng)G3進(jìn)入放煤口時(shí)，頂煤中總含矸率升高至19%，此后在18%～19%內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)G4進(jìn)入放煤口時(shí)，頂煤中總含矸率升高，此后在23%～27%內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)；當(dāng)G5進(jìn)入放煤口時(shí)，頂煤中總含矸率繼續(xù)升高，此后在33%～39%內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)。

表4 各分段頂煤、夾矸、直接頂巖石和總含矸放出質(zhì)量及比例

圖11 各層夾矸放出比例變化趨勢(shì)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(guò)程中，夾矸無(wú)時(shí)序放出時(shí)，總含矸率的變化規(guī)律為在一固定的范圍內(nèi)波動(dòng)，夾矸有時(shí)序放出時(shí)，后進(jìn)入放煤口的夾矸會(huì)使總含矸率上升一個(gè)幅度并繼續(xù)在一固定的范圍內(nèi)波動(dòng)，隨著多層夾矸的順序進(jìn)入，總含矸率的波動(dòng)范圍呈連續(xù)臺(tái)階式上升，即總含矸率呈現(xiàn)上升—穩(wěn)定—連續(xù)臺(tái)階式上升的變化規(guī)律。

此外，放出體中夾矸率的波動(dòng)幅度與放出夾矸的連續(xù)性有關(guān)。當(dāng)夾矸賦存厚度小，賦存層位高時(shí)，夾矸在放落流動(dòng)過(guò)程中其流動(dòng)跡線(xiàn)還未進(jìn)入放煤口即已呈不連續(xù)狀態(tài)，待夾矸進(jìn)入放煤口時(shí)，其放出量呈現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的狀態(tài)，導(dǎo)致放出頂煤中夾矸率呈波動(dòng)狀態(tài)。夾矸流動(dòng)跡線(xiàn)越不連續(xù)，放出頂煤中夾矸率波動(dòng)幅度越大。反之，當(dāng)夾矸賦存厚度大、破碎程度好、賦存層位低時(shí)，夾矸在進(jìn)入放煤口時(shí)，其流動(dòng)跡線(xiàn)呈連續(xù)狀態(tài)，此時(shí)放煤口放出的夾矸量較均勻，放出頂煤中夾矸率的波動(dòng)幅度也較小。

3 基于煤-矸-巖放落流動(dòng)時(shí)序特征的自然射線(xiàn)輻射變化規(guī)律

為了分析頂煤放落條件下煤-矸-巖的自然射線(xiàn)輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律，進(jìn)而分析確定頂煤放落中夾矸和巖石的識(shí)別特征參量，根據(jù)含多層夾矸頂煤放落流動(dòng)時(shí)序規(guī)律及混矸規(guī)律的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)煤矸識(shí)別試驗(yàn)方案如下。

將煤矸混合體按長(zhǎng)0.6 m、寬1.0 m、厚0.3 m的長(zhǎng)方體依次鋪設(shè)于模擬刮板輸送機(jī)中，煤矸混合體總含矸率依次按20%,17%,27%,14%,23%鋪設(shè)，模擬無(wú)時(shí)序影響時(shí)總含矸率的變化特征；后續(xù)煤矸混合體總含矸率按33%,36%,30%,36%,35%鋪設(shè)，模擬受夾矸放落時(shí)序影響時(shí)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(shè)，模擬直接頂進(jìn)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(yàn)鋪設(shè)示意Fig.12 Laying diagram of coal gangue rock caving model in extra thick coal seam

模型鋪設(shè)完畢后，開(kāi)啟電機(jī)以0.3 m/s的速度勻速拉動(dòng)刮板輸送機(jī)，使刮板輸送機(jī)上的煤矸混合體勻速通過(guò)探測(cè)器，統(tǒng)計(jì)不同含矸率下煤矸混合體經(jīng)過(guò)探測(cè)器時(shí)的自然射線(xiàn)輻射強(qiáng)度，并采用移動(dòng)平均法進(jìn)行濾波處理，自然射線(xiàn)輻射強(qiáng)度變化趨勢(shì)如圖13所示。

由圖13可知，將自然射線(xiàn)輻射強(qiáng)度的變化趨勢(shì)按試驗(yàn)設(shè)計(jì)總含矸率的變化特征分為無(wú)時(shí)序影響區(qū)、時(shí)序影響區(qū)和直接頂混入?yún)^(qū)(圖中紅色虛線(xiàn)分區(qū))，并以自然射線(xiàn)輻射強(qiáng)度的濾波值為參照對(duì)象(以下分析中，輻射強(qiáng)度均指濾波值)。

圖13 自然射線(xiàn)輻射強(qiáng)度變化與所對(duì)應(yīng)的含矸率變化對(duì)比Fig.13 Comparison diagram of natural ray radiation intensity change and corresponding gangue content change

在無(wú)時(shí)序影響區(qū)內(nèi)，各層夾矸在放煤口打開(kāi)后混合進(jìn)入，無(wú)時(shí)間上的先后順序，其輻射強(qiáng)度隨著放出頂煤總含矸率的波動(dòng)在一固定的范圍內(nèi)平穩(wěn)地上升下降，呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的變化，輻射強(qiáng)度的變化范圍在54～60 cps。

在時(shí)序影響區(qū)內(nèi)，受夾矸混入時(shí)序特征的影響，當(dāng)后續(xù)夾矸進(jìn)入放煤口時(shí)，總含矸率上升一個(gè)幅度后繼續(xù)在一固定范圍內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)。與此同時(shí)，輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的變化，但輻射強(qiáng)度值較無(wú)時(shí)序影響區(qū)明顯增大，呈現(xiàn)臺(tái)階式上升。其上升的原因是由于總含矸率增加的同時(shí)煤矸混合體中的矸石量也在增加，因此自然γ射線(xiàn)的輻射強(qiáng)度也隨之增加。時(shí)序影響區(qū)內(nèi)，輻射強(qiáng)度的變化范圍在61～71 cps。

在直接頂混入?yún)^(qū)內(nèi)，總含矸率呈線(xiàn)性增加趨勢(shì)。與此同時(shí)，自然γ射線(xiàn)的輻射強(qiáng)度也逐漸增大。當(dāng)煤矸混合體總含矸率>56%時(shí)(圖13中計(jì)數(shù)值300～400)，輻射強(qiáng)度的上升趨勢(shì)不再明顯。直接頂混入?yún)^(qū)內(nèi)，輻射強(qiáng)度的變化范圍在71～89 cps。

綜上，復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層煤-矸-巖放落過(guò)程中自然射線(xiàn)的輻射特征為：無(wú)時(shí)序影響區(qū)內(nèi)，輻射強(qiáng)度呈相對(duì)穩(wěn)定的變化；時(shí)序影響區(qū)內(nèi)，輻射強(qiáng)度明顯增大，并呈現(xiàn)臺(tái)階式上升；直接頂混入?yún)^(qū)內(nèi)，輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)。

4 煤-矸-巖識(shí)別方法及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層綜放煤-矸-巖識(shí)別方法

根據(jù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層煤-矸-巖放落過(guò)程中自然射線(xiàn)的輻射強(qiáng)度在無(wú)時(shí)序影響區(qū)內(nèi)隨著放出頂煤總含矸率的波動(dòng)在一固定的范圍內(nèi)穩(wěn)定變化的特征，可知存在一個(gè)輻射強(qiáng)度的變化范圍(試驗(yàn)中為54～60 cps)，當(dāng)輻射強(qiáng)度在該范圍內(nèi)時(shí)，說(shuō)明放出頂煤中為頂煤和低位夾矸混合體；根據(jù)自然射線(xiàn)的輻射強(qiáng)度在時(shí)序影響區(qū)呈明顯增大，并呈現(xiàn)臺(tái)階式上升的特征，可知存在一個(gè)輻射強(qiáng)度的變化范圍(試驗(yàn)中為61～71 cps)，當(dāng)輻射強(qiáng)度在該范圍內(nèi)時(shí)，說(shuō)明具有時(shí)序特征的夾矸進(jìn)入了放煤口；根據(jù)直接頂混入?yún)^(qū)內(nèi)自然射線(xiàn)的輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增大的特征，可知存在一個(gè)輻射強(qiáng)度的變化范圍(試驗(yàn)中為71～89 cps)，當(dāng)輻射強(qiáng)度在該范圍內(nèi)時(shí)，說(shuō)明直接頂巖石進(jìn)入了放煤口。

取直接頂混入前后自然射線(xiàn)的輻射強(qiáng)度(圖13中計(jì)數(shù)值181～220)進(jìn)行分析，見(jiàn)表5。

表5 直接頂混入前后的自然射線(xiàn)輻射強(qiáng)度

由表5可知，在直接頂混入前后，隨著計(jì)數(shù)值的增加，自然射線(xiàn)輻射強(qiáng)度整體呈逐漸增大的趨勢(shì)，部分點(diǎn)存在波動(dòng)。又由圖13可知直接頂在計(jì)數(shù)值為200時(shí)混入。分析表5數(shù)據(jù)可知，當(dāng)計(jì)數(shù)值為200時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度為71 cps。當(dāng)計(jì)數(shù)值為181～200時(shí)，輻射強(qiáng)度整體呈逐漸增大的趨勢(shì)，且在計(jì)數(shù)值為199時(shí)達(dá)到最大輻射強(qiáng)度71 cps；當(dāng)計(jì)數(shù)值為200～220時(shí)，輻射強(qiáng)度整體呈逐漸增大的趨勢(shì)，部分點(diǎn)存在波動(dòng)，但所有輻射強(qiáng)度均≥71 cps。同時(shí)，分析圖13中計(jì)數(shù)值為0～400時(shí)對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度得知，在計(jì)數(shù)值為0～199時(shí)，所有輻射強(qiáng)度均<71 cps；在計(jì)數(shù)值為209～400時(shí)，所有輻射強(qiáng)度均≥71 cps。由此說(shuō)明，直接頂混入時(shí)所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度(計(jì)數(shù)值200對(duì)應(yīng)的71 cps)，僅可能出現(xiàn)在該值周邊±10個(gè)計(jì)數(shù)值內(nèi)。又由表5得知，在該輻射強(qiáng)度出現(xiàn)后的10個(gè)計(jì)數(shù)值內(nèi)(計(jì)數(shù)值199～208)，有9個(gè)輻射強(qiáng)度等于該值，有1個(gè)大于該值；在該輻射強(qiáng)度出現(xiàn)后的10～20個(gè)計(jì)數(shù)值內(nèi)(計(jì)數(shù)值209～218)，其所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度全部大于該值，同時(shí)由圖14可知計(jì)數(shù)值在218～400所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度也全部大于該值。

圖14 不同關(guān)窗方式下的綜放工作面煤-矸-巖識(shí)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(shí)輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律為：直接頂進(jìn)入時(shí)所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度僅可能出現(xiàn)在該值周邊±10個(gè)計(jì)數(shù)值內(nèi)，且該值出現(xiàn)后的10個(gè)計(jì)數(shù)值內(nèi)即有輻射強(qiáng)度值大于該值，10個(gè)計(jì)數(shù)值之后的所有計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度值全部大于該值。若以直接頂進(jìn)入時(shí)所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度為參照，則直接頂進(jìn)入前所有探測(cè)到的輻射強(qiáng)度值均小于等于該值，直接頂進(jìn)入后所有探測(cè)到的輻射強(qiáng)度值均大于等于該值。

基于以上分析，以自然γ射線(xiàn)輻射強(qiáng)度值作為識(shí)別參數(shù)，提出復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層綜放煤-矸-巖的識(shí)別方法如下：

(1)關(guān)窗方式為見(jiàn)矸(直接頂)關(guān)窗。在頂煤放落過(guò)程中，以直接頂混入時(shí)所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度作為關(guān)窗預(yù)警值，當(dāng)探測(cè)器探測(cè)到的輻射強(qiáng)度值等于關(guān)窗預(yù)警值時(shí)即預(yù)警，并對(duì)此后的輻射強(qiáng)度值持續(xù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)后續(xù)出現(xiàn)的輻射強(qiáng)度值大于該值時(shí)，即判定為直接頂巖石混入，此時(shí)關(guān)閉放煤口。根據(jù)直接頂混入時(shí)輻射強(qiáng)度值的變化規(guī)律，當(dāng)探測(cè)器計(jì)數(shù)周期為0.1 s，在直接頂混入1 s內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)關(guān)窗。

(2)關(guān)窗方式為達(dá)到一定含矸率關(guān)窗。在頂煤放落過(guò)程中，以關(guān)窗含矸率所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度值作為關(guān)窗預(yù)警值，當(dāng)探測(cè)器探測(cè)到的輻射強(qiáng)度值等于關(guān)窗預(yù)警值時(shí)即預(yù)警，并對(duì)此后的輻射強(qiáng)度值持續(xù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)后續(xù)出現(xiàn)的輻射強(qiáng)度值大于該值時(shí)，即判定為含矸率達(dá)到要求，此時(shí)關(guān)閉放煤口。根據(jù)直接頂混入時(shí)輻射強(qiáng)度值的變化規(guī)律，當(dāng)探測(cè)器計(jì)數(shù)周期為0.1 s，在達(dá)到該含矸率1 s內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)關(guān)窗。

基于以上識(shí)別方法，提出識(shí)別參數(shù)的確定方法如下：

(1)關(guān)窗方式為見(jiàn)矸(直接頂)關(guān)窗。由于直接頂進(jìn)入即關(guān)窗無(wú)法確定放出頂煤中的總含矸率，因此采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式確定直接頂進(jìn)入時(shí)所對(duì)應(yīng)的自然射線(xiàn)輻射強(qiáng)度。其方式為將探測(cè)器置于放煤口附近預(yù)定探測(cè)位置(如支架尾梁下方)，開(kāi)啟探測(cè)器對(duì)放落煤矸進(jìn)行探測(cè)，直至直接頂混入。隨后對(duì)探測(cè)得到的輻射強(qiáng)度計(jì)數(shù)值進(jìn)行分析，由直接頂混入時(shí)輻射強(qiáng)度的變化特征及輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律可以確定直接頂混入時(shí)所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度，并以此作為識(shí)別直接頂混入時(shí)所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度。

(2)關(guān)窗方式為達(dá)到一定含矸率關(guān)窗。由于要求的關(guān)窗含矸率已給出，利用式(5)對(duì)該含矸率所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，求得該含矸率所對(duì)應(yīng)的自然射線(xiàn)輻射強(qiáng)度，并以此作為該識(shí)別方法中關(guān)窗含矸率所對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度。

(5)

式中，為輻射強(qiáng)度；為矸石放射性濃度；為煤的密度；為矸石密度；為矸石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為煤對(duì)自然射線(xiàn)的質(zhì)量衰減系數(shù)；為矸石對(duì)自然射線(xiàn)的質(zhì)量衰減系數(shù)。

基于復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層綜放煤-矸-巖識(shí)別方法下的放煤工藝控制流程如圖15所示(識(shí)別參數(shù)已給定的情況下)。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

基于所形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層綜放煤-矸-巖識(shí)別方法，2021年7月在晉能控股塔山煤礦8303綜放工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試，所采用的的探測(cè)器為KZT12礦用本安型煤矸識(shí)別探測(cè)器(防爆合格證號(hào)：CCCMT20.0525)，該探測(cè)器為筆者基于自然γ射線(xiàn)煤矸識(shí)別技術(shù)所研發(fā)，能夠?qū)崟r(shí)(采樣周期0.1 s)識(shí)別放煤口的矸石混入情況，并將混矸率以數(shù)字的形式呈現(xiàn)于顯示終端。將煤矸識(shí)別探測(cè)器安裝于放煤口上方，對(duì)放煤過(guò)程中放煤口的輻射進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具體如圖16所示。

圖15 基于煤矸自動(dòng)識(shí)別的復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，本次放煤試驗(yàn)時(shí)間約為260 s：放煤開(kāi)始至36 s內(nèi)，輻射曲線(xiàn)保持穩(wěn)定，此時(shí)放出物為純煤；36 s后，輻射曲線(xiàn)有一個(gè)明顯的升高并保持相對(duì)穩(wěn)定至90 s，此時(shí)為無(wú)時(shí)序混矸階段；90～170 s內(nèi)，輻射強(qiáng)度逐漸上升，并且在99,111和124 s處出現(xiàn)階段峰值，此時(shí)放煤為有時(shí)序混矸階段，但未出現(xiàn)直接頂矸石；170 s后，輻射曲線(xiàn)隨著放煤時(shí)間的延長(zhǎng)再次出現(xiàn)明顯的升高且出現(xiàn)明顯的震蕩，此時(shí)直接頂矸石混入，且通過(guò)觀察，有大塊頂板巖石出現(xiàn)，決定不再放煤，于226 s時(shí)執(zhí)行關(guān)窗操作。

圖16 8303綜放工作面放頂煤煤-矸-巖識(shí)別試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.16 Test data of coal-gangue-rock detection in 8303 top coal caving workface

本次放頂煤現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試的結(jié)果，驗(yàn)證了采用自然γ射線(xiàn)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層綜放開(kāi)采煤矸巖識(shí)別的可靠性，該技術(shù)能夠精確探測(cè)放煤口煤矸流中矸石含量的變化并實(shí)時(shí)響應(yīng)，進(jìn)而為放煤口的動(dòng)作做出指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

(1)復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層常見(jiàn)的幾種夾矸和頂板巖石中，炭質(zhì)泥巖的放射性強(qiáng)度最大、其次為砂質(zhì)泥巖與高嶺質(zhì)泥巖，且兩者的放射性強(qiáng)度相等、煌斑巖的放射性強(qiáng)度相對(duì)最小，當(dāng)夾矸與直接頂巖性相同時(shí)，其放射性強(qiáng)度相近。煤的放射性強(qiáng)度最低。

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

(3)夾矸的混矸規(guī)律為在一固定的范圍內(nèi)波動(dòng)，而直接頂?shù)幕祉芬?guī)律為線(xiàn)性上升。放出頂煤總含矸率的變化規(guī)律為：當(dāng)夾矸無(wú)時(shí)序放出時(shí)，總含矸率在一固定的范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)夾矸有時(shí)序放出時(shí)，總含矸率呈現(xiàn)上升—穩(wěn)定—連續(xù)臺(tái)階式上升的變化規(guī)律；直接頂矸石的混入，造成總含矸率呈線(xiàn)性增加趨勢(shì)。

(4)當(dāng)探測(cè)器前方煤矸整體厚度達(dá)到0.6 m時(shí)，輻射強(qiáng)度已接近飽和，不再隨后續(xù)矸石的增加而發(fā)生明顯變化。在探測(cè)器前方0.6 m內(nèi)，當(dāng)夾矸層數(shù)或厚度增加時(shí)，探測(cè)器探測(cè)到的輻射強(qiáng)度隨之增加。多層夾矸賦存條件下，夾矸間的間距越大，探測(cè)到的總輻射越低，厚層夾矸對(duì)總輻射的貢獻(xiàn)隨著其流動(dòng)跡線(xiàn)的前移逐漸增大。

(5)復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層煤-矸-巖放落過(guò)程中自然射線(xiàn)的輻射特征為：無(wú)時(shí)序影響區(qū)內(nèi)，輻射強(qiáng)度呈相對(duì)穩(wěn)定的變化；時(shí)序影響區(qū)內(nèi)，輻射強(qiáng)度明顯增大，并呈現(xiàn)臺(tái)階式上升；直接頂混入?yún)^(qū)內(nèi)，輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)。

(6)基于復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層煤-矸-巖放落過(guò)程中自然射線(xiàn)的輻射特征及直接頂混入時(shí)輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律，以自然γ射線(xiàn)輻射強(qiáng)度作為識(shí)別參數(shù)，提出了復(fù)雜結(jié)構(gòu)特厚煤層綜放煤-矸-巖的識(shí)別方法，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，取得了預(yù)期的識(shí)別效果。

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