李建設(shè)，楊 雷,2

(1.汾西礦業(yè)集團(tuán)新峪煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 介休 032000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院, 北京100083)

綜放工作面頂煤回收率是考核資源利用、開采技術(shù)和管理水平的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同時(shí)又是評(píng)價(jià)綜放采煤效果的主要指標(biāo)之一。提高綜放頂煤回收率，能夠增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，降低開采成本，減少資源浪費(fèi)[1-3]。

目前，關(guān)于綜放工作面頂煤回收率方面的研究主要集中在影響因素及現(xiàn)場試驗(yàn)方面[4-6]，實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)較少。主要有毛德兵關(guān)于綜放開采割煤高度與頂煤回收率相互關(guān)系研究[7]。張會(huì)軍等關(guān)于綜放開采頂煤回收率的相似模擬研究[8]。

新峪煤礦主采煤層為太原組9#、10#、11#煤層。9#煤層屬中厚煤層，10#、11#煤層合并為一層屬厚煤層。目前，新峪煤礦全部采用自然垮落法管理頂板，其中9#、10#、11#煤層采用綜采放頂煤一次采全高。在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，綜放工作面頂煤回收率較低。本文結(jié)合新峪煤礦工作面現(xiàn)場實(shí)際工程地質(zhì)情況，利用實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)，對(duì)新峪煤礦9#煤層頂煤回收率進(jìn)行研究，以獲得該類地質(zhì)條件下提高綜放工作面頂煤回收率的方法，并為類似條件下頂煤回收率提供參考。

1 新峪煤礦頂煤放出模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室相似模型試驗(yàn)要求模型的地層分布、支架及試驗(yàn)材料的幾何尺寸均應(yīng)滿足幾何相似比。一般來說，模型試驗(yàn)的幾何相似比越大，模型尺寸就越大，試驗(yàn)的精度就越高，但試驗(yàn)成本及試驗(yàn)周期越長、設(shè)備條件要求亦高。依據(jù)相似理論及圣維南原理[9]，取該模型試驗(yàn)的幾何相似比取1∶20。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與相似模型材料

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

該試驗(yàn)選用放頂煤實(shí)驗(yàn)室二維試驗(yàn)臺(tái)，研究二維情況下的頂煤運(yùn)移規(guī)律。因現(xiàn)場煤層角度很小，本試驗(yàn)煤層假設(shè)為水平。新峪煤礦工作面支架高度約為2.5m，試驗(yàn)中高度設(shè)計(jì)為12.5cm。本試驗(yàn)裝置前板采用透明的有機(jī)玻璃板，以便于對(duì)頂煤流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行觀測(cè)。試驗(yàn)中前擋板下方設(shè)計(jì)了一個(gè)可以在導(dǎo)槽內(nèi)滑動(dòng)的有機(jī)玻璃擋板，以便于支架前移的操作。

1.1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧?/p>

該試驗(yàn)的試驗(yàn)材料采用巴厘石。新峪煤礦綜放工作面現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，頂煤煤塊粒徑大小介于10～60cm之間，且主要集中在20～40cm范圍內(nèi)；本試驗(yàn)的幾何相似比為1∶20，因此本試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧系牧椒秶≡?.5～3cm之間，且主要集中在1～2cm之間，與實(shí)際煤塊粒徑尺寸符合幾何相似比。

1.2 模型試驗(yàn)方案

現(xiàn)場實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，對(duì)頂煤回收率影響比較大的主要因素有工藝方式、采放比、煤矸粒度比、設(shè)備等。在本試驗(yàn)中，考慮工藝方式和采放比這兩個(gè)對(duì)頂煤回收率影響最大的因素。試驗(yàn)中采用三種采放比：1∶1、1∶2和1∶3；三種工藝方式：一采一放、兩采一放和三采一放。

試驗(yàn)分為A組和B組，各組以采放比與工藝方式進(jìn)行組合：A組試驗(yàn)固定工藝方式為一采一放，采放比分別為1∶1、1∶2和1∶3三種情況；B組試驗(yàn)固定采放比為1∶2，工藝方式分別為一采一放、兩采一放和三采一放。具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同采放比對(duì)頂煤放出規(guī)律的影響

A組試驗(yàn)考慮的因素是采放比，煤矸粒度之比固定為1∶2，工藝方式采用一采一放。采放比考慮三種情況：1∶1、1∶2和1∶3。三個(gè)試驗(yàn)的初始布置照片如圖1所示。

試驗(yàn)假設(shè)割出煤量全部回收，試驗(yàn)考慮了頂煤回收率與頂煤混矸率，試驗(yàn)中的割煤量通過計(jì)算得出。A組試驗(yàn)中三個(gè)試驗(yàn)所得到的頂煤回收率和頂煤混矸率如表2所示。

圖1 一采一放不同采放比初始布置圖

表2 A組三次試驗(yàn)的回收率和混矸率

2.1.1 不同采放比對(duì)頂煤回收率影響

由圖2可以看出，采放比從1∶1到1∶2時(shí)，頂煤回收率提高很多，即隨著采放比的提高，頂煤回收率有較大提高；但采放比由1∶2提高到1∶3時(shí)，頂煤回收率略有增加但增幅不大。由此可見，放頂超過一定高度頂煤回收率將不再有太大的提高。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，采放比1∶1與1∶2放出的矸石量絕對(duì)值沒有太大的差別，但1∶3時(shí)比前兩個(gè)要高。由此可知，在頂煤較薄的情況下進(jìn)行放頂煤開采是不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)在一定頂煤厚度范圍之內(nèi)進(jìn)行放頂開采，超過一定厚度并不會(huì)取得更高的回收率。

通過對(duì)上面試驗(yàn)的對(duì)比分析可知，采放比應(yīng)該在1∶2左右，即放頂煤高度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。根據(jù)本試驗(yàn)的幾何相似比可知，新峪煤礦放煤高度應(yīng)控制在5m左右。

圖2 不同采放比頂煤回收率

圖3 不同采放比混矸率

2.1.2 不同采放比對(duì)頂煤混矸率的影響

由圖3可知，混矸率在頂煤較薄時(shí)是比較高的，在采放比為1∶2的情況下頂煤混矸率約為1∶1的一半，采放比1∶3的頂煤混矸率較1∶2時(shí)又有所提高。采放比提高，混矸率下降比較明顯，但混矸率并不會(huì)隨著頂煤厚度的增加而一直減少。原因是采放比過高會(huì)增加放煤時(shí)的控制難度，混入矸石較多。

因此，通過對(duì)相同工藝方式下不同采放比放煤效果的比較可知，新峪煤礦工作面頂煤采放比應(yīng)控制在1∶2左右，放煤高度應(yīng)控制在5m左右。

圖4表示不同采放比放煤結(jié)束后的殘煤形態(tài)。由圖4可以看出，放頂煤層厚度增加煤炭損失會(huì)相應(yīng)的增加，后部殘留煤體較多，但頂煤回收率得到提高。

2.2 不同工藝方式對(duì)頂煤放出規(guī)律的影響

B組試驗(yàn)考慮的因素是工藝方式，煤矸粒度之比固定為1∶2，采放比采用1∶2。工藝方式考慮三種情況：一采一放、兩采一放和三采一放。試驗(yàn)的初始布置如圖5所示。B組試驗(yàn)中三個(gè)試驗(yàn)所得到的頂煤回收率和頂煤混矸率如表2所示。

圖4 一采一放工藝方式下不同采放比的殘煤形態(tài)

圖5 不同工藝方式，固定采放比1∶2的初始布置圖

表3 三種工藝方式的回收率和混矸率

2.2.1 不同工藝方式對(duì)頂煤回收率影響

由圖6可知，兩采一放時(shí)頂煤回收率較一采一放時(shí)有一定提高，但是三采一放時(shí)頂煤回收率相對(duì)前兩種工藝方式則有了比較大的降低。有此可知，綜放開采采用一采一放或兩采一放時(shí)頂煤回收率較高。

圖6 不同工藝方式下頂煤回收率示意圖

2.2.2 不同工藝方式對(duì)頂煤混矸率的影響

由圖7可知，頂煤含矸率隨著放煤步距的增大而逐步減小，但減小的幅度不大。

因此，通過對(duì)同意采放比條件下，不同工藝方式的試驗(yàn)研究表明，三采一放在含矸率上比較低，但它的回收率明顯要比其它兩種工藝方式低，

即采用一采一放或兩采一放時(shí)綜合效果較佳。

圖7 不同工藝方式下頂煤混矸率示意圖

圖8、圖9、圖10分別表示三種工藝方式在連續(xù)采煤后煤損殘留形態(tài)。通過三組圖直觀的比較可以看出工藝方式對(duì)頂煤損失的影響，三采一放的頂煤損失是相當(dāng)大的。

圖8 一采一放后部煤損殘留

圖9 兩采一放后部煤損殘留

圖10 三采一放后部煤損殘留

3 結(jié)論

1)頂煤回收率隨采放比的增大而提高，但采放比超過1∶2后頂煤回收率提高不大，頂煤混矸率在采放比為1∶2時(shí)最??；即新峪煤礦工作面頂煤采放比應(yīng)控制在1∶2左右，放煤高度應(yīng)控制在5m左右。

2)工藝方式采用一采一放或兩采一放時(shí)頂煤回收率較高，頂煤含矸率隨著放煤步距的增大而逐步減小，但減小的幅度不大；即采用一采一放或兩采一放的工藝方式時(shí)，綜合效果最好。

3)通過現(xiàn)場應(yīng)用該采放比及工藝方式發(fā)現(xiàn)，頂煤回收率有了較大提高，而頂煤混矸率也略有下降。

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