新峪煤礦綜放工作面頂煤回收率的模型試驗研究

李建設(shè)，楊 雷,2

(1.汾西礦業(yè)集團新峪煤業(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)濟指標(biāo)，同時又是評價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)濟效益，降低開采成本，減少資源浪費[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)場試驗方面[4-6]，實驗室相似模擬試驗較少。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)場實際工程地質(zhì)情況，利用實驗室相似模擬試驗，對新峪煤礦9#煤層頂煤回收率進行研究，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設(shè)計

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

1.1 試驗設(shè)備與相似模型材料

1.1.1 試驗設(shè)備

該試驗選用放頂煤實驗室二維試驗臺，研究二維情況下的頂煤運移規(guī)律。因現(xiàn)場煤層角度很小，本試驗煤層假設(shè)為水平。新峪煤礦工作面支架高度約為2.5m，試驗中高度設(shè)計為12.5cm。本試驗裝置前板采用透明的有機玻璃板，以便于對頂煤流動規(guī)律進行觀測。試驗中前擋板下方設(shè)計了一個可以在導(dǎo)槽內(nèi)滑動的有機玻璃擋板，以便于支架前移的操作。

1.1.2 試驗?zāi)Ｐ筒牧?/p>

該試驗的試驗材料采用巴厘石。新峪煤礦綜放工作面現(xiàn)場統(tǒng)計結(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)；本試驗的幾何相似比為1∶20，因此本試驗?zāi)Ｐ筒牧系牧椒秶≡?.5～3cm之間，且主要集中在1～2cm之間，與實際煤塊粒徑尺寸符合幾何相似比。

1.2 模型試驗方案

現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)，對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。在本試驗中，考慮工藝方式和采放比這兩個對頂煤回收率影響最大的因素。試驗中采用三種采放比：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。

試驗分為A組和B組，各組以采放比與工藝方式進行組合：A組試驗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。具體試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同采放比對頂煤放出規(guī)律的影響

A組試驗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。三個試驗的初始布置照片如圖1所示。

試驗假設(shè)割出煤量全部回收，試驗考慮了頂煤回收率與頂煤混矸率，試驗中的割煤量通過計算得出。A組試驗中三個試驗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組三次試驗的回收率和混矸率

2.1.1 不同采放比對頂煤回收率影響

由圖2可以看出，采放比從1∶1到1∶2時，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，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。

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

通過對上面試驗的對比分析可知，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 不同采放比對頂煤混矸率的影響

由圖3可知，混矸率在頂煤較薄時是比較高的，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，但混矸率并不會隨著頂煤厚度的增加而一直減少。原因是采放比過高會增加放煤時的控制難度，混入矸石較多。

因此，通過對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 不同工藝方式對頂煤放出規(guī)律的影響

B組試驗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。試驗的初始布置如圖5所示。B組試驗中三個試驗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 不同工藝方式對頂煤回收率影響

由圖6可知，兩采一放時頂煤回收率較一采一放時有一定提高，但是三采一放時頂煤回收率相對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，通過對同意采放比條件下，不同工藝方式的試驗研究表明，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時最小；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，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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