綜放面割煤高度對頂煤回收率的影響分析

付茂全

1 頂煤回收率的影響因素分析

放頂煤開采具有產(chǎn)量大、效率高、成本低等特點[1-3]，但是，受開采條件和開采技術(shù)影響，頂煤的回收率差別較大，頂煤的回收率高低主要取決于頂煤的可放性。通常影響頂煤可放性的因素主要有煤體強度、煤層賦存深度、煤體的完整性、煤層結(jié)構(gòu)、頂板條件、割煤高度等[3-7]。

頂煤可放性是指頂煤在礦壓作用下及時垮落和得到充分破碎的程度。頂煤可放性評價是實施放煤開采的必要前提，同時對頂煤的回收率起著重要的影響。煤層賦存條件，煤體自身的強度及其結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，即節(jié)理、裂隙、層理、夾層及斷層帶的規(guī)模和發(fā)育程度，煤層開采深度和頂煤厚度，支架的支撐力及頂?shù)装鍘r性等因素對回采率的影響較大，例如急傾斜煤層水平分段放頂煤，工作面支架上方是頂煤及上分段殘留的煤矸，直接頂、基本頂位于工作面一側(cè)，頂煤及頂板垮落易形成拱結(jié)構(gòu)，煤炭回收率較低；放頂煤方式、順序、對工作面回采率、含矸率、單產(chǎn)都對頂煤回收率有著較大的影響，放頂煤方式、順序以及單架放煤時間掌握不好，會產(chǎn)生支架間及沿工作面推進方向得的“脊背”損失，影響頂煤回收率[8-10]。

割煤高度與頂煤的可放性密切相關(guān)，割煤高度加大，覆巖活動高度增加，礦壓顯現(xiàn)增強，有利于頂煤預(yù)裂和放出，因此定性定量的研究不同割煤高度對提高頂煤的回收率有著重要的意義。

2 不同割煤高度對頂煤回收率影響的數(shù)值模擬分析

2.1 不同割煤高度模型的建立

煤峪口煤礦810161工作面煤厚為4.6 m～8.4 m，平均厚7.6 m，煤層結(jié)構(gòu)單一，煤層傾角為0°～3°；基本頂為灰白色的砂巖，平均厚31.7 m；直接頂為細砂巖，平均厚2.18 m；底板為粉砂巖，平均厚度2.45 m。采用一刀一放的綜放開采工藝。

論文根據(jù)810161工作面開采條件，應(yīng)用PFC2D模擬軟件分析不同割煤高度綜放面頂煤的回收率特征。選取割煤高度為2.5 m、3.0 m、3.5 m，放煤步距一刀一放（放煤步距0.6 m）的放煤方式，并建立數(shù)值計算建模，每個放煤方式以放24架為準，在端面放煤的情況下不同割煤高度的初始模型見圖1、圖2、圖3。

圖1割煤高度2.5m初始模型

圖2割煤高度3.0m初始模型

圖3割煤高度3.5m初始模型

在端面放煤的影響中，頂煤的回采率計算公式如下：

式中，Nc代表的是統(tǒng)計區(qū)間段以內(nèi)殘煤顆粒的個數(shù)；Nd代表的是統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)煤顆粒個數(shù)。

在放煤24架后，求解出每個循環(huán)進行后工作面的回采率W。

式中，Nc代表的是統(tǒng)計區(qū)間段以內(nèi)殘煤顆粒的個數(shù)；n代表的是割煤高度與放煤厚度的比值；Nd代表的是統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)頂煤煤顆粒個數(shù)。

2.2 割煤高度為3.5 m建模結(jié)果分析

割煤高度為3.5 m，放煤步距為0.6 m放煤過程見圖4。

圖4割煤高度為3.5 m一刀一放過程

在割煤高度為3.5 m時，模型以及初始放煤過程中頂煤及頂板的動規(guī)律沒有明顯的不同。通過對圖4的分析，受到不同的流動阻力，特別是當散體接觸到底板時，受到刮板輸送機溜槽的阻擋以及放煤口方向的影響，易形成偏向采空區(qū)一側(cè)的三角形，也即放煤步距煤炭損失。計算割煤高度為3.5 m時，放煤完成后的頂煤回收率，頂煤總量以及開采完成后的殘余顆粒見圖5。

圖5割煤高度3.5 m頂煤總量及殘余顆粒

割煤高度為3.5 m，放煤24架完成以后其頂煤回收率如下：

經(jīng)過PFC數(shù)值軟件分析得到頂煤顆粒為1147，一刀一放殘余顆粒為288，根據(jù)公式（1）計算頂煤回收率：W=1-288/1147，計算結(jié)果為74.89%。根據(jù)公式（2）計算24架放煤過程中，工作面回收率：

W=1-288/{（1+1）/1147}，計算結(jié)果為87.45%。

2.3 割煤高度為3.0 m建模結(jié)果分析

割煤高度為3.0 m，放煤步距為0.6 m放煤過程見圖6。

圖6割煤高度為3.0 m一刀一放過程

計算割煤高度為3.0 m時，放煤完成后的頂煤回收率，頂煤總量以及開采完成后的殘余顆粒見圖7。

圖7割煤高度3.0 m頂煤總量及殘余顆粒

經(jīng)過PFC數(shù)值軟件分析得到頂煤數(shù)量為1 312，一刀一放殘余顆粒為331。

割煤高度為3.0 m，放煤24架完成以后其頂煤回收率：W=1-331/1312，計算結(jié)果為74.77%。工作面回收率：W=1-331/{（1+0.75）/1147}，計算結(jié)果為85.57%。

2.4 割煤高度為2.5 m建模結(jié)果分析

割煤高度為2.5 m，放煤步距為0.6 m放煤過程見圖8。

圖8割煤高度為2.5 m一刀一放過程

計算割煤高度為2.5 m時，放煤完成后的頂煤回收率，頂煤總量以及開采完成后的殘余顆粒見圖9。

圖9割煤高度2.5m頂煤總量及殘余顆粒

經(jīng)過PFC數(shù)值軟件分析得到頂煤數(shù)量為1 476，一刀一放殘余顆粒為347。

割煤高度為2.5 m，放煤24架完成以后其頂煤回收率：W=1-347/1476，計算結(jié)果為76.49%。工作面回收率：W=1-347/{（1+0.55）/1476}，計算結(jié)果為 84.87%。

綜合以上數(shù)值模擬結(jié)果分析對比不同割煤高度的頂煤回收率計算結(jié)果見表1。

表1不同割煤高度頂煤回收率

由表1可知，當割煤高度為2.5 m時，頂煤回收率最高，放煤損失最少。而在放煤24架過后，由圖10可知，隨著割煤高度的增加，工作面回收率呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，當割煤高度為3.5 m時，工作面的回采率達到最大。所以為了保證巷道、采場比較穩(wěn)定的前提下，采用割煤高度3.5 m，放煤步距為一刀一放（0.6m）時，能最大限度的提高頂煤回收率。

3 結(jié)論

（1）在放煤過程中，破碎頂煤會以阻力最小的路徑逐漸向放煤口移動，形成散體介質(zhì)的流動場，由于受到的流動阻力不同，特別是當散體接觸到底板時，受到后刮板輸送機溜槽的阻擋及放煤口方向的影響，易形成偏向采空區(qū)一側(cè)的三角形造成煤炭損失。

（2）割煤高度為2.5 m時，頂煤的回收率最高達到76.49%，在割煤高度為3.0 m、3.5 m頂煤的回收率為74.77%、74.89%，頂煤回收率較穩(wěn)定。不同的割煤高度對工作面回采率的影響顯著，由數(shù)值模擬計算結(jié)果可知，割煤高度為3.5 m時，工作面回采率可以達到最高。

（3）模擬表明，采高增加頂煤回收率降低，工作面回收率增加；采用割煤高度3.5 m，放煤步距為一刀一放（0.6m）時，能最大限度的提高頂煤回收率。