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摘 要：顶煤放出规律规律的研究一直是煤矿开采的重点和难点。前人进行的实验室模拟均为二维实验，本论文以中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院岩石开挖与采矿工程实验室研制开发的顶煤放出三维模拟实验平台为基础，对某矿顶煤放出规律进行了相似模拟实验。论文以散体介质流理论为依据，对某矿顶煤放出规律进行了研究，结果表明：实验室模拟回收率及混矸率，与现场实际情况出入不大；顶煤放出规律的研究也可以通过实验室模拟初步实现，对现场实际工作具有指导意义。
关健词：顶煤放出；相似模拟；采出率；放出规律
1 相似模拟实验的目的及意义
顶煤放出研究的辅助方法有很多种，直观又较真实反映综放工作面顶煤放出规律的方法是相似模拟试验。国内外从事采矿科学研究的学者和专家，都非常重视相似模拟的研究，通过现场观测分析，再辅助相似模拟试验，创造性地提出了许多顶煤放出新理论和新成果，为综放开采的发展奠定了基础。这些理论的得出和发现，与进行相似模拟试验分不开。相似模拟最大的特点是简洁、直观、再现现场实际开采作业条件下顶煤放出的特征，较为真实地反映出顶煤放出规律，并有效地统计出顶煤的采出率和混矸率。随着生产技术的发展，三维模拟实验设备的日益更新，相似理论的不断完善，相似模拟试验更加逼真地再现了现场开采的实际情况，成为辅助现场观测最有效的方法之一。
2 实验设备及相似材料的确定
本实验采用中国矿业大学（北京）自主研发的一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置，模拟某矿工作面起伏煤层顶煤放出情况。
实验台内部所使用的放煤支架，共有20个，在实验人员操作下，尾梁可以任意打开闭合，模拟工作面现场放煤口打开与关闭的动作。
根据王家臣教授的研究成果，工作面推进过程中，顶煤与直接顶在工作面上已经完全破碎，形成松散体，其运移和放出应符合散体流动规律，提出了散体介质流理论。本实验采用5-8mm粒径的青色石颗粒代替煤层；用8-12mm白色石颗粒代替矸石，两种材料都为均匀散体，流动性较好，能够较为真实地模拟出工作面现场顶煤及矸石放出的情况。
3 模型构建及标志点铺设
根据某煤矿主采煤综采工作面煤岩层的实际地质资料，主采煤层采三放三，实验台支架高度为10cm，故设几何相似比为αL=30：1，模拟工作面实际高度。采煤10cm，放煤10cm，并铺设15cm矸石作为破碎直接顶。
实验台尺寸：长×宽×高为1700mm×1000mm×800mm。根据相似比，可以模拟工作面长度30m，最大推进长度45m，最大覆岩高度24m。
在煤层中，铺设一定数量的白色标志点，标志点表面用黑色记号笔编写号码，代表不同三维坐标。标志点粒径与煤颗粒近似，冒放性基本没有影响，故统计随顶煤放出的标志点编号，即可以反映出顶煤放出的规律。
由于欲得到工作面连续推进稳定后的放出体，故将初始标志点铺设在第六次移架后放煤口的位置附近，标志点尾部铺设在第十次移架后放煤口位置附近。实验台模拟工作面共有20臺液压支架，故设置20列标志点，推进方向每个移架步距可以放置3个标志点，四次移架共设置12颗标志点。顶部煤层厚度为10厘米，每3厘米设置一层标志点，共三层。所以标志点的总数为20*12*3=720。
根据现场实际情况，煤层中有3-5层不规则夹矸，情况复杂。本实验只铺设支架上方顶煤部分，故设置一薄一厚两层夹矸，分别位于3厘米和6厘米处。当顶煤放出时，夹矸随之放出。分别称量放出煤量和矸石量，即可得到每一架的混矸率和煤层整体混矸率。煤层上部直接顶矸石厚度为15厘米。
最终铺设完毕后，使用千斤顶以及吊车，将实验台上部箱体一侧抬升，并使用双轴数显水平仪实时显示抬升角度。根据现场实际地质资料，确定模拟3°倾角。
4 放出煤量称重记录
工作面共推进八刀，放出煤量及矸石量统计见称重统计图1。其中初始放煤由于放出体未受任何影响，较为完整，故放出量最多。与之相邻的第一刀，由于受到初始放煤影响，放出体残缺较为严重，所以放出量很少。之后工作面每次推进一刀放出煤量基本趋于稳定，平均为7696.1g，总体放出煤量为86133g，放出矸石量为54555g。
煤层中铺设的标志点，从第五刀开始出现，但为数较少，无法反演出完整的放出体。工作面推进至第八刀时，部分右边界的标志点随之放出，说明工作面基本达到标志点区域边缘，共有四刀放煤过程有标志点放出，其中第六七八刀放煤标志点数量较多较完整。随后的分析也主要从这三次的数据进行反演。
5 实验数据计算及分析
5.1放出体规律分析
由两种情况放出体对比图可以看出，推进对放出体的影响非常明显：
1. 推进放出体与初始放出体（近似椭球体）相比，完整性大大降低，由标志点数量及形状可以看出，接近于一个弯曲条带形状；
2. 无论是推进过程的放出体还是初始放煤的放出体，上部都有前倾趋势，基本没有改变，究其原因，可能是煤体颗粒与支架摩擦较小，导致靠近工作面前方颗粒流动更快，放出量更多，通过标志点反演出的放出体前方略大于后方。
3. 统计可得出，中部层位的标志点放出量最多，与之前的近似椭球体理论接近，但不完全是吻合，需要进一步验证和完善。
5.2顶煤采出率计算
先采用称重法计算。
放煤实际放煤区域8刀，40cm，其中初始放煤受到前方边界影响，放出煤量明显偏大，故不计入采出率统计。选用第一刀至第八刀所得数据计算，移架放煤区域为40cm*100cm*10cm=40000cm3，煤颗粒密度为1.82g/cm3，计算得总煤量为72800g。八次移架放出总煤量为59890g，故八次移架实际采出率为82.27%
再利用标志点法计算。
实际放出标志点总数为511个，铺设标志点总数为720个，故计算得采出率为70.97%
可以看出，6cm层位标志点放出最多，说明放出体中部偏大。但总体放出率偏低，与称重法计算结果有偏差。原因可能有以下几点：
1. 标志点颗粒略微大于煤颗粒，导致放出量减少；
2. 由于个别支架放煤口卡矸的原因，有几架并未完成放煤，导致标志颗粒无法放出，影响最终结果，而少数几架顶煤缺失，对称重法的结果影响不大，所以导致两个数据的偏差。
关健词：顶煤放出；相似模拟；采出率；放出规律
1 相似模拟实验的目的及意义
顶煤放出研究的辅助方法有很多种，直观又较真实反映综放工作面顶煤放出规律的方法是相似模拟试验。国内外从事采矿科学研究的学者和专家，都非常重视相似模拟的研究，通过现场观测分析，再辅助相似模拟试验，创造性地提出了许多顶煤放出新理论和新成果，为综放开采的发展奠定了基础。这些理论的得出和发现，与进行相似模拟试验分不开。相似模拟最大的特点是简洁、直观、再现现场实际开采作业条件下顶煤放出的特征，较为真实地反映出顶煤放出规律，并有效地统计出顶煤的采出率和混矸率。随着生产技术的发展，三维模拟实验设备的日益更新，相似理论的不断完善，相似模拟试验更加逼真地再现了现场开采的实际情况，成为辅助现场观测最有效的方法之一。
2 实验设备及相似材料的确定
本实验采用中国矿业大学（北京）自主研发的一种倾角可调的综放长壁顶煤放出三维模拟实验装置，模拟某矿工作面起伏煤层顶煤放出情况。
实验台内部所使用的放煤支架，共有20个，在实验人员操作下，尾梁可以任意打开闭合，模拟工作面现场放煤口打开与关闭的动作。
根据王家臣教授的研究成果，工作面推进过程中，顶煤与直接顶在工作面上已经完全破碎，形成松散体，其运移和放出应符合散体流动规律，提出了散体介质流理论。本实验采用5-8mm粒径的青色石颗粒代替煤层；用8-12mm白色石颗粒代替矸石，两种材料都为均匀散体，流动性较好，能够较为真实地模拟出工作面现场顶煤及矸石放出的情况。
3 模型构建及标志点铺设
根据某煤矿主采煤综采工作面煤岩层的实际地质资料，主采煤层采三放三，实验台支架高度为10cm，故设几何相似比为αL=30：1，模拟工作面实际高度。采煤10cm，放煤10cm，并铺设15cm矸石作为破碎直接顶。
实验台尺寸：长×宽×高为1700mm×1000mm×800mm。根据相似比，可以模拟工作面长度30m，最大推进长度45m，最大覆岩高度24m。
在煤层中，铺设一定数量的白色标志点，标志点表面用黑色记号笔编写号码，代表不同三维坐标。标志点粒径与煤颗粒近似，冒放性基本没有影响，故统计随顶煤放出的标志点编号，即可以反映出顶煤放出的规律。
由于欲得到工作面连续推进稳定后的放出体，故将初始标志点铺设在第六次移架后放煤口的位置附近，标志点尾部铺设在第十次移架后放煤口位置附近。实验台模拟工作面共有20臺液压支架，故设置20列标志点，推进方向每个移架步距可以放置3个标志点，四次移架共设置12颗标志点。顶部煤层厚度为10厘米，每3厘米设置一层标志点，共三层。所以标志点的总数为20*12*3=720。
根据现场实际情况，煤层中有3-5层不规则夹矸，情况复杂。本实验只铺设支架上方顶煤部分，故设置一薄一厚两层夹矸，分别位于3厘米和6厘米处。当顶煤放出时，夹矸随之放出。分别称量放出煤量和矸石量，即可得到每一架的混矸率和煤层整体混矸率。煤层上部直接顶矸石厚度为15厘米。
最终铺设完毕后，使用千斤顶以及吊车，将实验台上部箱体一侧抬升，并使用双轴数显水平仪实时显示抬升角度。根据现场实际地质资料，确定模拟3°倾角。
4 放出煤量称重记录
工作面共推进八刀，放出煤量及矸石量统计见称重统计图1。其中初始放煤由于放出体未受任何影响，较为完整，故放出量最多。与之相邻的第一刀，由于受到初始放煤影响，放出体残缺较为严重，所以放出量很少。之后工作面每次推进一刀放出煤量基本趋于稳定，平均为7696.1g，总体放出煤量为86133g，放出矸石量为54555g。
煤层中铺设的标志点，从第五刀开始出现，但为数较少，无法反演出完整的放出体。工作面推进至第八刀时，部分右边界的标志点随之放出，说明工作面基本达到标志点区域边缘，共有四刀放煤过程有标志点放出，其中第六七八刀放煤标志点数量较多较完整。随后的分析也主要从这三次的数据进行反演。
5 实验数据计算及分析
5.1放出体规律分析
由两种情况放出体对比图可以看出，推进对放出体的影响非常明显：
1. 推进放出体与初始放出体（近似椭球体）相比，完整性大大降低，由标志点数量及形状可以看出，接近于一个弯曲条带形状；
2. 无论是推进过程的放出体还是初始放煤的放出体，上部都有前倾趋势，基本没有改变，究其原因，可能是煤体颗粒与支架摩擦较小，导致靠近工作面前方颗粒流动更快，放出量更多，通过标志点反演出的放出体前方略大于后方。
3. 统计可得出，中部层位的标志点放出量最多，与之前的近似椭球体理论接近，但不完全是吻合，需要进一步验证和完善。
5.2顶煤采出率计算
先采用称重法计算。
放煤实际放煤区域8刀，40cm，其中初始放煤受到前方边界影响，放出煤量明显偏大，故不计入采出率统计。选用第一刀至第八刀所得数据计算，移架放煤区域为40cm*100cm*10cm=40000cm3，煤颗粒密度为1.82g/cm3，计算得总煤量为72800g。八次移架放出总煤量为59890g，故八次移架实际采出率为82.27%
再利用标志点法计算。
实际放出标志点总数为511个，铺设标志点总数为720个，故计算得采出率为70.97%
可以看出，6cm层位标志点放出最多，说明放出体中部偏大。但总体放出率偏低，与称重法计算结果有偏差。原因可能有以下几点：
1. 标志点颗粒略微大于煤颗粒，导致放出量减少；
2. 由于个别支架放煤口卡矸的原因，有几架并未完成放煤，导致标志颗粒无法放出，影响最终结果，而少数几架顶煤缺失，对称重法的结果影响不大，所以导致两个数据的偏差。