综放面割煤高度对顶煤回收率的影响分析

付茂全

1 顶煤回收率的影响因素分析

放顶煤开采具有产量大、效率高、成本低等特点[1-3]，但是，受开采条件和开采技术影响，顶煤的回收率差别较大，顶煤的回收率高低主要取决于顶煤的可放性。通常影响顶煤可放性的因素主要有煤体强度、煤层赋存深度、煤体的完整性、煤层结构、顶板条件、割煤高度等[3-7]。

顶煤可放性是指顶煤在矿压作用下及时垮落和得到充分破碎的程度。顶煤可放性评价是实施放煤开采的必要前提，同时对顶煤的回收率起着重要的影响。煤层赋存条件，煤体自身的强度及其结构和构造，即节理、裂隙、层理、夹层及断层带的规模和发育程度，煤层开采深度和顶煤厚度，支架的支撑力及顶底板岩性等因素对回采率的影响较大，例如急倾斜煤层水平分段放顶煤，工作面支架上方是顶煤及上分段残留的煤矸，直接顶、基本顶位于工作面一侧，顶煤及顶板垮落易形成拱结构，煤炭回收率较低；放顶煤方式、顺序、对工作面回采率、含矸率、单产都对顶煤回收率有着较大的影响，放顶煤方式、顺序以及单架放煤时间掌握不好，会产生支架间及沿工作面推进方向得的“脊背”损失，影响顶煤回收率[8-10]。

割煤高度与顶煤的可放性密切相关，割煤高度加大，覆岩活动高度增加，矿压显现增强，有利于顶煤预裂和放出，因此定性定量的研究不同割煤高度对提高顶煤的回收率有着重要的意义。

2 不同割煤高度对顶煤回收率影响的数值模拟分析

2.1 不同割煤高度模型的建立

煤峪口煤矿810161工作面煤厚为4.6 m～8.4 m，平均厚7.6 m，煤层结构单一，煤层倾角为0°～3°；基本顶为灰白色的砂岩，平均厚31.7 m；直接顶为细砂岩，平均厚2.18 m；底板为粉砂岩，平均厚度2.45 m。采用一刀一放的综放开采工艺。

论文根据810161工作面开采条件，应用PFC2D模拟软件分析不同割煤高度综放面顶煤的回收率特征。选取割煤高度为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，并建立数值计算建模，每个放煤方式以放24架为准，在端面放煤的情况下不同割煤高度的初始模型见图1、图2、图3。

图1割煤高度2.5m初始模型

图2割煤高度3.0m初始模型

图3割煤高度3.5m初始模型

在端面放煤的影响中，顶煤的回采率计算公式如下：

式中，Nc代表的是统计区间段以内残煤颗粒的个数；Nd代表的是统计区间内煤颗粒个数。

在放煤24架后，求解出每个循环进行后工作面的回采率W。

式中，Nc代表的是统计区间段以内残煤颗粒的个数；n代表的是割煤高度与放煤厚度的比值；Nd代表的是统计区间内顶煤煤颗粒个数。

2.2 割煤高度为3.5 m建模结果分析

割煤高度为3.5 m，放煤步距为0.6 m放煤过程见图4。

图4割煤高度为3.5 m一刀一放过程

在割煤高度为3.5 m时，模型以及初始放煤过程中顶煤及顶板的动规律没有明显的不同。通过对图4的分析，受到不同的流动阻力，特别是当散体接触到底板时，受到刮板输送机溜槽的阻挡以及放煤口方向的影响，易形成偏向采空区一侧的三角形，也即放煤步距煤炭损失。计算割煤高度为3.5 m时，放煤完成后的顶煤回收率，顶煤总量以及开采完成后的残余颗粒见图5。

图5割煤高度3.5 m顶煤总量及残余颗粒

割煤高度为3.5 m，放煤24架完成以后其顶煤回收率如下：

经过PFC数值软件分析得到顶煤颗粒为1147，一刀一放残余颗粒为288，根据公式（1）计算顶煤回收率：W=1-288/1147，计算结果为74.89%。根据公式（2）计算24架放煤过程中，工作面回收率：

W=1-288/{（1+1）/1147}，计算结果为87.45%。

2.3 割煤高度为3.0 m建模结果分析

割煤高度为3.0 m，放煤步距为0.6 m放煤过程见图6。

图6割煤高度为3.0 m一刀一放过程

计算割煤高度为3.0 m时，放煤完成后的顶煤回收率，顶煤总量以及开采完成后的残余颗粒见图7。

图7割煤高度3.0 m顶煤总量及残余颗粒

经过PFC数值软件分析得到顶煤数量为1 312，一刀一放残余颗粒为331。

割煤高度为3.0 m，放煤24架完成以后其顶煤回收率：W=1-331/1312，计算结果为74.77%。工作面回收率：W=1-331/{（1+0.75）/1147}，计算结果为85.57%。

2.4 割煤高度为2.5 m建模结果分析

割煤高度为2.5 m，放煤步距为0.6 m放煤过程见图8。

图8割煤高度为2.5 m一刀一放过程

计算割煤高度为2.5 m时，放煤完成后的顶煤回收率，顶煤总量以及开采完成后的残余颗粒见图9。

图9割煤高度2.5m顶煤总量及残余颗粒

经过PFC数值软件分析得到顶煤数量为1 476，一刀一放残余颗粒为347。

割煤高度为2.5 m，放煤24架完成以后其顶煤回收率：W=1-347/1476，计算结果为76.49%。工作面回收率：W=1-347/{（1+0.55）/1476}，计算结果为 84.87%。

综合以上数值模拟结果分析对比不同割煤高度的顶煤回收率计算结果见表1。

表1不同割煤高度顶煤回收率

由表1可知，当割煤高度为2.5 m时，顶煤回收率最高，放煤损失最少。而在放煤24架过后，由图10可知，随着割煤高度的增加，工作面回收率呈现逐步增加的趋势，当割煤高度为3.5 m时，工作面的回采率达到最大。所以为了保证巷道、采场比较稳定的前提下，采用割煤高度3.5 m，放煤步距为一刀一放（0.6m）时，能最大限度的提高顶煤回收率。

3 结论

（1）在放煤过程中，破碎顶煤会以阻力最小的路径逐渐向放煤口移动，形成散体介质的流动场，由于受到的流动阻力不同，特别是当散体接触到底板时，受到后刮板输送机溜槽的阻挡及放煤口方向的影响，易形成偏向采空区一侧的三角形造成煤炭损失。

（2）割煤高度为2.5 m时，顶煤的回收率最高达到76.49%，在割煤高度为3.0 m、3.5 m顶煤的回收率为74.77%、74.89%，顶煤回收率较稳定。不同的割煤高度对工作面回采率的影响显著，由数值模拟计算结果可知，割煤高度为3.5 m时，工作面回采率可以达到最高。

（3）模拟表明，采高增加顶煤回收率降低，工作面回收率增加；采用割煤高度3.5 m，放煤步距为一刀一放（0.6m）时，能最大限度的提高顶煤回收率。