综放开采工艺参数与顶煤回收率的试验研究

张金山，李 晨，曹跃辉，马 猛

(内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014010)

·试验研究·

综放开采工艺参数与顶煤回收率的试验研究

张金山，李 晨，曹跃辉，马 猛

(内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古 包头 014010)

为了研究综放开采工艺参数与顶煤回收率的关系，以公务素煤矿1604综放工作面为背景，进行了顶煤回收率的相似模拟试验研究。研究结果表明:该综放工作面顶煤采放比在1∶2.5左右、放煤高度在6 m左右、放煤工艺采用一采一放时，顶煤回收率最好。将该工艺参数应用于工作面后顶煤混矸率有所降低，顶煤回收率有了较大幅度的提高。

综放开采;工艺参数;顶煤回收率;试验研究

综采放顶煤开采由于具有高产、高效、安全、低耗等优点，在我国各矿区得到了广泛的应用［1］，但顶煤回收率偏低，则严重制约着综放开采技术的发展。顶煤回收率不仅是判断煤矿是否合理利用综放开采技术的因素，也是衡量煤矿资源回收的重要因素。提高综放技术顶煤回收率，是可持续发展在矿山企业的具体体现:首先减少了煤炭资源的不必要损失，其次也充分发挥高产、高效等优点，增加了企业的营业收入，提高企业职工待遇［2］。

公务素煤矿位于桌子山煤田，共含煤7层，其中可采煤层 4 层，分别为 9#、12#、16#、17#煤层，可采煤层总厚度13.7 m。其中，9#层为中厚煤层，16#层为特厚煤层，12#、17#层为薄煤层，公务素煤矿采空区处理采用全部垮落法，顶板自行跨落后充填采空区。16#煤层平均厚度8.5 m属于特厚煤层，在生产过程中经过统计后发现，该综放工作面顶煤回收率仅有72%，属于中等水平。为了提高顶煤回收率，采用相似模拟试验，结合公务素煤矿水文地质情况对1604综放面顶煤回收率进行了初步的探索性试验。试验结果可以作为其他煤矿相似的地理条件下提高顶煤回收率的参考。

1 试验研究方案

在进行实验室相似模拟试验时，必须使设计的模型与实际工作面的几何尺寸大小符合几何相似比，否则研究便没有意义。总体来讲，对试验精度要求越高，则需要模拟试验的几何相似比就越大，模拟尺寸相应也就越大［3］。考虑到试验周期与试验成本等因素，本模拟试验取几何相似比为1∶20。

1.1 试验材料

公务素煤矿1604综放工作面放顶煤支架高度约为3.6 m，根据相似比设计模型中高度应该为18 cm。此次模拟试验选用放顶煤二维试验台，为了能够对顶煤放出及支架进行前移时顶煤流动性进行观测，特意在装置前挡板安装了透明的有机玻璃板，前挡板下方还有能够水平自由滑动的玻璃挡板。

模拟试验的材料采用碎石。对公务素煤矿1604综放面的顶煤块度大小进行取样统计后得出结论:顶煤块度半径最小为8 cm，最大为50 cm，且绝大部分顶煤块度在25～40 cm。根据1∶20的几何相似比，本试验模型所用的材料粒径块度应该取最小0.4 cm，最大2.5 cm，且大部分块度应该在1～2 cm，这样得出的结果才具有可信度。

1.2 试验方案

影响顶煤回收率的因素很多，主要有煤层厚度、采放比、煤层可放性、放煤工艺等。在本试验中假设其他因素不变，仅考虑采放比和放煤工艺在发生变化时顶煤回收率的变化。试验分为A、B两组:A组研究在放煤工艺采用一采一放不变的条件下，采放比分别为:1∶2、1∶2.5、1∶3变化时的顶煤回收情况。B组研究在采放比为1∶2.5不变的条件下，放煤工艺分别为一采一放、两采一放和三采一放时候的顶煤回收情况。试验方案及组织方式见表1。

表1 试验方案

2 试验结果讨论

2.1 不同采放比对顶煤回收率的影响

A组试验放煤工艺采用一采一放，考虑的因素是采放比。采放比分三种情况:1∶2、1∶2.5、1∶3。试验假设采煤机割煤全部回收，通过称量回收的碎石重量后可以计算出顶煤回收率与顶煤混矸率。经过计算后的结果见表2。A组模拟试验见图1。

表2 A组实验顶煤回收率

从表2可以看出，采放比由1∶2到1∶2.5时，顶煤回收率提高了12.5%，提高效果明显。但是采放比由1∶2.5到1∶3时，顶煤回收率却略有减小。可以推断在综放开采中随着采放比的提高，顶煤回收率也在提高，但是当采放比提高到一定限度时，顶煤回收率开始下降。也就是说放煤高度存在一个临界值，超过这一临界值顶煤回收率将不会有太大的提高。由此可知，本实验中采放比的临界值应该在1∶2.5左右，即要想获得较高的顶煤回收率放煤高度必须保持在一定的范围内。从表2还可以看出，顶煤混矸率随着放煤高度的升高在逐步降低，但是也存在临界值，超过临界值后顶煤混矸率有所上升。在采放比为1∶2.5与采放比1∶2时对顶煤混矸率进行比较可以看出前者仅为后者的一半，而采放比为1∶3时的顶煤混矸率较1∶2.5时有上升的趋势。通过分析可知，随着采放比的提高，混矸率有明显的下降趋势，但是当采放比大到一定值时混矸率会上升。原因是采放比过大时，放煤时的控制难度将会提高，导致混入矸石较多。因此，通过在一采一放的放煤工艺下不同采放比的放煤效果比较可以看出，综放面顶煤采放比在1∶2.5左右时顶煤回收率较好，该条件下的放煤高度经计算应保持在6 m左右。

2.2 不同放煤工艺对顶煤回收率的影响

B组试验采放比采用1∶2.5，考虑放煤工艺发生变化即一采一放、两采一放、三采一放时顶煤回收情况。试验假设采煤机割煤全部回收，通过称量回收的碎石重量后可以计算出顶煤回收率与顶煤混矸率。经过计算后的结果见表3。B组模拟试验见图2。

图2 B组模拟试验图

表3 B组试验顶煤回收率

由表3可知，一采一放时顶煤的回收率比两采一放和三采一放都要高。顶煤含矸率也在相应的减小。因此，由该组实验结果可知，在采放比为1∶2.5的条件下，一采一放虽然在含矸率上高，但是高的幅度并不是很大，并且它的顶煤回收率明显要比其它两种工艺方式高，即采用一采一放时效果较好。

3 结论

1)该综放面随着采放比的增大，顶煤混矸率在降低，顶煤回收率在提高。但是当采放比超过1∶2.5后顶煤混矸率有上升趋势，顶煤回收率有下降的趋势。也就是说采放比在1∶2.5左右时顶煤回收效果最好。

2)该综放面采用一采一放的放煤工艺时顶煤混矸率较其他放煤工艺略有提高，但是顶煤回收率最高。也就是说采用一采一放的放煤工艺时，顶煤回收效果最好。

3)将本试验成果应用于综放面后发现，不仅顶煤混矸率降低，而且顶煤回收率有大幅度的提高。

［1］ 王家臣.厚煤层开采理论与技术［M］.北京:冶金工业出版社.2009:19－21.

［2］ 徐永圻.煤矿开采学［M］.徐州:中国矿业大学出版社.1999:116－120.

［3］ 顾大钊.相似材料与相似模型［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1995:20－25.

Experiment Research on Process Parameters and Top Coal Recovery Ratio of Full Mechanized Caving Mining

Zhang Jin －shan，Li Chen，Cao Yue －hui，Ma Meng

So as to study the relationship of process parameters and top coal recovery ratio in full mechanized caving mining，under the background of 1604 full mechanized caving face of Gongwusu coal mine，taken the study on top coal recovery ratio by similarity simulation experiment.The results showed that when the caving face top coal extraction－caving ratio is about 1∶2.5，the caving height is about 6 m and the caving technology is one caving one extraction.The effect of top coal recovery ratio is best.Taking the process parameters into the caving face found that top coal mixed gangue ratio declined slightly，the top coal recovery ratio has been greatly improved.

Full mechanized caving mining;Process parameters;Top coal recovery ratio;Experiment research

TD823.4+9

A

1672－0652(2012)08－0042－03

2012－06－07

张金山(1959—)，男，河南沁阳人，1987年毕业于中国矿业大学北京研究生部，教授，主要从事采矿工程的教学及研究工作(E －mail)lcjc@163.com