新峪煤矿综放工作面顶煤回收率的模型试验研究

李建设，杨 雷,2

(1.汾西矿业集团新峪煤业有限责任公司，山西 介休 032000；2.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院, 北京100083)

综放工作面顶煤回收率是考核资源利用、开采技术和管理水平的重要经济指标，同时又是评价综放采煤效果的主要指标之一。提高综放顶煤回收率，能够增加企业的经济效益，降低开采成本，减少资源浪费[1-3]。

目前，关于综放工作面顶煤回收率方面的研究主要集中在影响因素及现场试验方面[4-6]，实验室相似模拟试验较少。主要有毛德兵关于综放开采割煤高度与顶煤回收率相互关系研究[7]。张会军等关于综放开采顶煤回收率的相似模拟研究[8]。

新峪煤矿主采煤层为太原组9#、10#、11#煤层。9#煤层属中厚煤层，10#、11#煤层合并为一层属厚煤层。目前，新峪煤矿全部采用自然垮落法管理顶板，其中9#、10#、11#煤层采用综采放顶煤一次采全高。在实际生产过程中发现，综放工作面顶煤回收率较低。本文结合新峪煤矿工作面现场实际工程地质情况，利用实验室相似模拟试验，对新峪煤矿9#煤层顶煤回收率进行研究，以获得该类地质条件下提高综放工作面顶煤回收率的方法，并为类似条件下顶煤回收率提供参考。

1 新峪煤矿顶煤放出模型试验设计

实验室相似模型试验要求模型的地层分布、支架及试验材料的几何尺寸均应满足几何相似比。一般来说，模型试验的几何相似比越大，模型尺寸就越大，试验的精度就越高，但试验成本及试验周期越长、设备条件要求亦高。依据相似理论及圣维南原理[9]，取该模型试验的几何相似比取1∶20。

1.1 试验设备与相似模型材料

1.1.1 试验设备

该试验选用放顶煤实验室二维试验台，研究二维情况下的顶煤运移规律。因现场煤层角度很小，本试验煤层假设为水平。新峪煤矿工作面支架高度约为2.5m，试验中高度设计为12.5cm。本试验装置前板采用透明的有机玻璃板，以便于对顶煤流动规律进行观测。试验中前挡板下方设计了一个可以在导槽内滑动的有机玻璃挡板，以便于支架前移的操作。

1.1.2 试验模型材料

该试验的试验材料采用巴厘石。新峪煤矿综放工作面现场统计结果表明，顶煤煤块粒径大小介于10～60cm之间，且主要集中在20～40cm范围内；本试验的几何相似比为1∶20，因此本试验模型材料的粒径范围取在0.5～3cm之间，且主要集中在1～2cm之间，与实际煤块粒径尺寸符合几何相似比。

1.2 模型试验方案

现场实践发现，对顶煤回收率影响比较大的主要因素有工艺方式、采放比、煤矸粒度比、设备等。在本试验中，考虑工艺方式和采放比这两个对顶煤回收率影响最大的因素。试验中采用三种采放比：1∶1、1∶2和1∶3；三种工艺方式：一采一放、两采一放和三采一放。

试验分为A组和B组，各组以采放比与工艺方式进行组合：A组试验固定工艺方式为一采一放，采放比分别为1∶1、1∶2和1∶3三种情况；B组试验固定采放比为1∶2，工艺方式分别为一采一放、两采一放和三采一放。具体试验方案如表1所示。

表1 试验方案

2 试验结果及分析

2.1 不同采放比对顶煤放出规律的影响

A组试验考虑的因素是采放比，煤矸粒度之比固定为1∶2，工艺方式采用一采一放。采放比考虑三种情况：1∶1、1∶2和1∶3。三个试验的初始布置照片如图1所示。

试验假设割出煤量全部回收，试验考虑了顶煤回收率与顶煤混矸率，试验中的割煤量通过计算得出。A组试验中三个试验所得到的顶煤回收率和顶煤混矸率如表2所示。

图1 一采一放不同采放比初始布置图

表2 A组三次试验的回收率和混矸率

2.1.1 不同采放比对顶煤回收率影响

由图2可以看出，采放比从1∶1到1∶2时，顶煤回收率提高很多，即随着采放比的提高，顶煤回收率有较大提高；但采放比由1∶2提高到1∶3时，顶煤回收率略有增加但增幅不大。由此可见，放顶超过一定高度顶煤回收率将不再有太大的提高。

由试验数据分析可知，采放比1∶1与1∶2放出的矸石量绝对值没有太大的差别，但1∶3时比前两个要高。由此可知，在顶煤较薄的情况下进行放顶煤开采是不经济的，应在一定顶煤厚度范围之内进行放顶开采，超过一定厚度并不会取得更高的回收率。

通过对上面试验的对比分析可知，采放比应该在1∶2左右，即放顶煤高度应控制在一定范围内。根据本试验的几何相似比可知，新峪煤矿放煤高度应控制在5m左右。

图2 不同采放比顶煤回收率

图3 不同采放比混矸率

2.1.2 不同采放比对顶煤混矸率的影响

由图3可知，混矸率在顶煤较薄时是比较高的，在采放比为1∶2的情况下顶煤混矸率约为1∶1的一半，采放比1∶3的顶煤混矸率较1∶2时又有所提高。采放比提高，混矸率下降比较明显，但混矸率并不会随着顶煤厚度的增加而一直减少。原因是采放比过高会增加放煤时的控制难度，混入矸石较多。

因此，通过对相同工艺方式下不同采放比放煤效果的比较可知，新峪煤矿工作面顶煤采放比应控制在1∶2左右，放煤高度应控制在5m左右。

图4表示不同采放比放煤结束后的残煤形态。由图4可以看出，放顶煤层厚度增加煤炭损失会相应的增加，后部残留煤体较多，但顶煤回收率得到提高。

2.2 不同工艺方式对顶煤放出规律的影响

B组试验考虑的因素是工艺方式，煤矸粒度之比固定为1∶2，采放比采用1∶2。工艺方式考虑三种情况：一采一放、两采一放和三采一放。试验的初始布置如图5所示。B组试验中三个试验所得到的顶煤回收率和顶煤混矸率如表2所示。

图4 一采一放工艺方式下不同采放比的残煤形态

图5 不同工艺方式，固定采放比1∶2的初始布置图

表3 三种工艺方式的回收率和混矸率

2.2.1 不同工艺方式对顶煤回收率影响

由图6可知，两采一放时顶煤回收率较一采一放时有一定提高，但是三采一放时顶煤回收率相对前两种工艺方式则有了比较大的降低。有此可知，综放开采采用一采一放或两采一放时顶煤回收率较高。

图6 不同工艺方式下顶煤回收率示意图

2.2.2 不同工艺方式对顶煤混矸率的影响

由图7可知，顶煤含矸率随着放煤步距的增大而逐步减小，但减小的幅度不大。

因此，通过对同意采放比条件下，不同工艺方式的试验研究表明，三采一放在含矸率上比较低，但它的回收率明显要比其它两种工艺方式低，

即采用一采一放或两采一放时综合效果较佳。

图7 不同工艺方式下顶煤混矸率示意图

图8、图9、图10分别表示三种工艺方式在连续采煤后煤损残留形态。通过三组图直观的比较可以看出工艺方式对顶煤损失的影响，三采一放的顶煤损失是相当大的。

图8 一采一放后部煤损残留

图9 两采一放后部煤损残留

图10 三采一放后部煤损残留

3 结论

1)顶煤回收率随采放比的增大而提高，但采放比超过1∶2后顶煤回收率提高不大，顶煤混矸率在采放比为1∶2时最小；即新峪煤矿工作面顶煤采放比应控制在1∶2左右，放煤高度应控制在5m左右。

2)工艺方式采用一采一放或两采一放时顶煤回收率较高，顶煤含矸率随着放煤步距的增大而逐步减小，但减小的幅度不大；即采用一采一放或两采一放的工艺方式时，综合效果最好。

3)通过现场应用该采放比及工艺方式发现，顶煤回收率有了较大提高，而顶煤混矸率也略有下降。

[1] 徐永圻. 煤矿开采学[M]. 徐州：中国矿业大学出版社. 1999.

[2] 靳钟铭. 放顶煤开采理论与技术[M]. 北京：煤炭工业出版社.2001.

[3] 郭金刚. 提高综放采出率的理论与技术[M].北京： 煤炭工业出版社. 2002.

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[5] 耿献文. 合理选择工艺参数提高放顶煤工作面煤炭回收率[J]. 煤炭技术，2001, 20(10)：20-21.

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[8] 张会军, 闫少宏, 毛德兵. 综放开采顶煤回收率的相似模拟研究[J]. 中国矿业，2009,18(12):76-78.

[9] 徐挺. 相似方法及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，1995.