綜放開采工藝參數與頂煤回收率的試驗研究

張金山，李 晨，曹躍輝，馬 猛

(內蒙古科技大學礦業工程學院，內蒙古 包頭 014010)

·試驗研究·

綜放開采工藝參數與頂煤回收率的試驗研究

張金山，李 晨，曹躍輝，馬 猛

(內蒙古科技大學礦業工程學院，內蒙古 包頭 014010)

為了研究綜放開采工藝參數與頂煤回收率的關系，以公務素煤礦1604綜放工作面為背景，進行了頂煤回收率的相似模擬試驗研究。研究結果表明:該綜放工作面頂煤采放比在1∶2.5左右、放煤高度在6 m左右、放煤工藝采用一采一放時，頂煤回收率最好。將該工藝參數應用于工作面后頂煤混矸率有所降低，頂煤回收率有了較大幅度的提高。

綜放開采;工藝參數;頂煤回收率;試驗研究

綜采放頂煤開采由于具有高產、高效、安全、低耗等優點，在我國各礦區得到了廣泛的應用［1］，但頂煤回收率偏低，則嚴重制約著綜放開采技術的發展。頂煤回收率不僅是判斷煤礦是否合理利用綜放開采技術的因素，也是衡量煤礦資源回收的重要因素。提高綜放技術頂煤回收率，是可持續發展在礦山企業的具體體現:首先減少了煤炭資源的不必要損失，其次也充分發揮高產、高效等優點，增加了企業的營業收入，提高企業職工待遇［2］。

公務素煤礦位于桌子山煤田，共含煤7層，其中可采煤層 4 層，分別為 9#、12#、16#、17#煤層，可采煤層總厚度13.7 m。其中，9#層為中厚煤層，16#層為特厚煤層，12#、17#層為薄煤層，公務素煤礦采空區處理采用全部垮落法，頂板自行跨落后充填采空區。16#煤層平均厚度8.5 m屬于特厚煤層，在生產過程中經過統計后發現，該綜放工作面頂煤回收率僅有72%，屬于中等水平。為了提高頂煤回收率，采用相似模擬試驗，結合公務素煤礦水文地質情況對1604綜放面頂煤回收率進行了初步的探索性試驗。試驗結果可以作為其他煤礦相似的地理條件下提高頂煤回收率的參考。

1 試驗研究方案

在進行實驗室相似模擬試驗時，必須使設計的模型與實際工作面的幾何尺寸大小符合幾何相似比，否則研究便沒有意義。總體來講，對試驗精度要求越高，則需要模擬試驗的幾何相似比就越大，模擬尺寸相應也就越大［3］。考慮到試驗周期與試驗成本等因素，本模擬試驗取幾何相似比為1∶20。

1.1 試驗材料

公務素煤礦1604綜放工作面放頂煤支架高度約為3.6 m，根據相似比設計模型中高度應該為18 cm。此次模擬試驗選用放頂煤二維試驗臺，為了能夠對頂煤放出及支架進行前移時頂煤流動性進行觀測，特意在裝置前擋板安裝了透明的有機玻璃板，前擋板下方還有能夠水平自由滑動的玻璃擋板。

模擬試驗的材料采用碎石。對公務素煤礦1604綜放面的頂煤塊度大小進行取樣統計后得出結論:頂煤塊度半徑最小為8 cm，最大為50 cm，且絕大部分頂煤塊度在25～40 cm。根據1∶20的幾何相似比，本試驗模型所用的材料粒徑塊度應該取最小0.4 cm，最大2.5 cm，且大部分塊度應該在1～2 cm，這樣得出的結果才具有可信度。

1.2 試驗方案

影響頂煤回收率的因素很多，主要有煤層厚度、采放比、煤層可放性、放煤工藝等。在本試驗中假設其他因素不變，僅考慮采放比和放煤工藝在發生變化時頂煤回收率的變化。試驗分為A、B兩組:A組研究在放煤工藝采用一采一放不變的條件下，采放比分別為:1∶2、1∶2.5、1∶3變化時的頂煤回收情況。B組研究在采放比為1∶2.5不變的條件下，放煤工藝分別為一采一放、兩采一放和三采一放時候的頂煤回收情況。試驗方案及組織方式見表1。

表1 試驗方案

2 試驗結果討論

2.1 不同采放比對頂煤回收率的影響

A組試驗放煤工藝采用一采一放，考慮的因素是采放比。采放比分三種情況:1∶2、1∶2.5、1∶3。試驗假設采煤機割煤全部回收，通過稱量回收的碎石重量后可以計算出頂煤回收率與頂煤混矸率。經過計算后的結果見表2。A組模擬試驗見圖1。

表2 A組實驗頂煤回收率

從表2可以看出，采放比由1∶2到1∶2.5時，頂煤回收率提高了12.5%，提高效果明顯。但是采放比由1∶2.5到1∶3時，頂煤回收率卻略有減小。可以推斷在綜放開采中隨著采放比的提高，頂煤回收率也在提高，但是當采放比提高到一定限度時，頂煤回收率開始下降。也就是說放煤高度存在一個臨界值，超過這一臨界值頂煤回收率將不會有太大的提高。由此可知，本實驗中采放比的臨界值應該在1∶2.5左右，即要想獲得較高的頂煤回收率放煤高度必須保持在一定的范圍內。從表2還可以看出，頂煤混矸率隨著放煤高度的升高在逐步降低，但是也存在臨界值，超過臨界值后頂煤混矸率有所上升。在采放比為1∶2.5與采放比1∶2時對頂煤混矸率進行比較可以看出前者僅為后者的一半，而采放比為1∶3時的頂煤混矸率較1∶2.5時有上升的趨勢。通過分析可知，隨著采放比的提高，混矸率有明顯的下降趨勢，但是當采放比大到一定值時混矸率會上升。原因是采放比過大時，放煤時的控制難度將會提高，導致混入矸石較多。因此，通過在一采一放的放煤工藝下不同采放比的放煤效果比較可以看出，綜放面頂煤采放比在1∶2.5左右時頂煤回收率較好，該條件下的放煤高度經計算應保持在6 m左右。

2.2 不同放煤工藝對頂煤回收率的影響

B組試驗采放比采用1∶2.5，考慮放煤工藝發生變化即一采一放、兩采一放、三采一放時頂煤回收情況。試驗假設采煤機割煤全部回收，通過稱量回收的碎石重量后可以計算出頂煤回收率與頂煤混矸率。經過計算后的結果見表3。B組模擬試驗見圖2。

圖2 B組模擬試驗圖

表3 B組試驗頂煤回收率

由表3可知，一采一放時頂煤的回收率比兩采一放和三采一放都要高。頂煤含矸率也在相應的減小。因此，由該組實驗結果可知，在采放比為1∶2.5的條件下，一采一放雖然在含矸率上高，但是高的幅度并不是很大，并且它的頂煤回收率明顯要比其它兩種工藝方式高，即采用一采一放時效果較好。

3 結論

1)該綜放面隨著采放比的增大，頂煤混矸率在降低，頂煤回收率在提高。但是當采放比超過1∶2.5后頂煤混矸率有上升趨勢，頂煤回收率有下降的趨勢。也就是說采放比在1∶2.5左右時頂煤回收效果最好。

2)該綜放面采用一采一放的放煤工藝時頂煤混矸率較其他放煤工藝略有提高，但是頂煤回收率最高。也就是說采用一采一放的放煤工藝時，頂煤回收效果最好。

3)將本試驗成果應用于綜放面后發現，不僅頂煤混矸率降低，而且頂煤回收率有大幅度的提高。

［1］ 王家臣.厚煤層開采理論與技術［M］.北京:冶金工業出版社.2009:19－21.

［2］ 徐永圻.煤礦開采學［M］.徐州:中國礦業大學出版社.1999:116－120.

［3］ 顧大釗.相似材料與相似模型［M］.徐州:中國礦業大學出版社，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

張金山(1959—)，男，河南沁陽人，1987年畢業于中國礦業大學北京研究生部，教授，主要從事采礦工程的教學及研究工作(E －mail)lcjc@163.com