靳少博(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂臨能化煤電綜合項(xiàng)目部，山西 臨縣 033200)

應(yīng)用研究·煤礦·

綜放工作面放煤步距數(shù)值模擬研究

靳少博
(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂臨能化煤電綜合項(xiàng)目部，山西 臨縣 033200)

為了確定某礦5- 108綜放工作面合理的放煤參數(shù)，依據(jù)散體介質(zhì)相似理論和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用PFC2D(散體顆粒流)數(shù)值模擬軟件，研究不同放煤步距對(duì)頂煤移動(dòng)放出規(guī)律、煤巖流動(dòng)軌跡以及頂煤回收率和含矸率的影響。通過(guò)模擬得出最優(yōu)的放煤方式，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用PFC軟件模擬分析選擇最佳的放煤步距。結(jié)果表明，5- 108綜放工作面最優(yōu)放煤方式為兩采一放，最佳的放煤步距為1.6m。

綜放工作面； 放煤步距； 數(shù)值模擬

1 前言

放頂煤開(kāi)采是煤炭開(kāi)采過(guò)程中的重要工藝之一，在我國(guó)許多礦井有較廣泛的應(yīng)用。在綜合放頂煤過(guò)程中，放煤步距與放煤方式的不同選擇則直接影響煤層的采出率與原煤的品質(zhì)。

我國(guó)煤炭資源的煤層賦存狀態(tài)千差萬(wàn)別，煤的強(qiáng)度、硬度等屬性隨著不同區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境不同而各不相同。放煤步距與放煤方式對(duì)頂煤的冒放性有重要影響，因此在煤礦綜合放頂煤工藝的放煤步距與放煤方式進(jìn)行時(shí)，放煤步距與放煤方式的合理選擇將大大提高煤炭的采出率。通過(guò)運(yùn)用PFC數(shù)值模擬軟件，結(jié)合5- 108綜放工作面實(shí)際地質(zhì)情況，經(jīng)過(guò)分析得出了理想的放煤參數(shù)，對(duì)放頂煤放煤工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)作用。

2 模擬軟件簡(jiǎn)介及選用

PFC全稱(chēng)Particle Flow Code，ITASCA咨詢(xún)集團(tuán)依據(jù)顆粒流分析程序開(kāi)發(fā)了該系列軟件，該系列軟件是通過(guò)模擬運(yùn)行大小任意的二維圓盤(pán)或三維圓球及模擬其相互作用關(guān)系的大型顆粒流分析軟件[1]。

PFC軟件能夠選擇的模塊主要有：第一，溫度分析模塊；第二，流體分析模塊。同時(shí)對(duì)模塊進(jìn)行計(jì)算以及定義。其原理是利用時(shí)間追趕法計(jì)算圓盤(pán)顆粒的運(yùn)動(dòng)得到答案。該軟件利用中心差分法，在所有的時(shí)間領(lǐng)域范圍內(nèi)計(jì)算顆粒運(yùn)動(dòng)方程，同時(shí)保證最終答案的精準(zhǔn)度以及穩(wěn)定程度，該法又叫做動(dòng)態(tài)求解法。該法的主要優(yōu)點(diǎn)就是顆粒運(yùn)動(dòng)路徑和物理的不穩(wěn)定性最終能夠確保方程解的穩(wěn)定性。PFC在顯示迭代分析的時(shí)候，通過(guò)求解兩組不同的方程，分別是運(yùn)動(dòng)以及位移本構(gòu)方程。在方程組中，等號(hào)右邊都是未知的變量，在單個(gè)迭代中，它們通常被認(rèn)為是常量，其實(shí)是不發(fā)生改變的變量。能夠很好地保證非線(xiàn)性接觸本構(gòu)求解的準(zhǔn)確度[2]。利用PFC執(zhí)行迭代的時(shí)候，還有一個(gè)非常重要的技術(shù)，叫做顆粒間接觸狀態(tài)偵查，它主要包括兩個(gè)，分別是原來(lái)接觸的脫離以及產(chǎn)生的新接觸。對(duì)PFC用戶(hù)而言，這項(xiàng)技術(shù)無(wú)法提供和其它用戶(hù)相互控制的渠道，但是ITASCA從程序剛剛開(kāi)發(fā)的時(shí)候，就將重點(diǎn)放在優(yōu)化接觸狀態(tài)偵查上，主要表現(xiàn)在對(duì)循環(huán)結(jié)構(gòu)技術(shù)的使用上，能夠很好地減少搜索所用時(shí)間，提高計(jì)算效率。比如，在顆粒有較多的位移，同時(shí)具有構(gòu)成新接觸的可能時(shí)，可以在顆粒附近激活接觸偵查算法?？偟膩?lái)說(shuō)，接觸狀態(tài)偵查需要的時(shí)間越多，顆粒數(shù)量也就越多，兩者是成正相關(guān)的。

圖1 綜放開(kāi)采頂煤冒落形態(tài)圖

放頂煤工藝中，能夠把頂煤堆積等方程顆粒破裂以及流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬，所以在模擬時(shí)最好選擇那些具備較好模擬效果的軟件，比如PFC。因?yàn)閬?lái)自礦壓的影響，頂煤體從開(kāi)始位置移動(dòng)到放煤口時(shí)會(huì)從完整的狀態(tài)變成散落狀態(tài)，因?yàn)橛衼?lái)自支架掩護(hù)梁以及冒落堆積邊界的影響，在打開(kāi)放煤口的時(shí)候，會(huì)看到散落的煤顆粒變成散體流[3～5]。從圖1中能夠看出，在綜采工作面中，直接頂以及頂煤會(huì)發(fā)生直接的破裂，大的煤塊會(huì)變成散落狀態(tài)的煤巖體，可以把這種運(yùn)動(dòng)看成散體運(yùn)動(dòng)。從圖2中可看出散體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律。散體頂煤頂板組成復(fù)合形式的散體介質(zhì)，支架放煤口充當(dāng)自由邊界，煤巖松散體在流向煤口時(shí)速度非常慢，可以把頂煤煤流運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為頂煤散體介質(zhì)流模型，主要用該模型研究頂煤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變。

圖2 散體介質(zhì)流實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3 放煤步距研究模型的建立

將某礦5- 108工作面當(dāng)作對(duì)象進(jìn)行模擬，研究煤儲(chǔ)層的地質(zhì)情況，設(shè)置數(shù)值模型。煤層的厚度大約為6.6m，和地面的距離達(dá)到200m，煤巷采高達(dá)到2m，采放比是1∶2.3，模型主要由兩個(gè)不同的部分組成：頂板矸石和頂煤?？梢园秧斆悍譃閮蓪?，分別是上層以及中層。如圖3所示，深色表示上層的頂煤，中部表示中層頂煤，上部表示矸石，設(shè)定煤體容重、法向剛度、切向剛度分別為14 000kN/m3、2.0×108N/m、2.0×108N/m，矸石的這3個(gè)指標(biāo)分別為25 000kN/m3、4.0×108N/m、4.0×108N/m，放煤口的直徑設(shè)定為70cm。

按照這個(gè)煤層的賦存設(shè)置初始模型，見(jiàn)圖3。

圖3 初始模型示意圖

模擬利用3種不同的方法對(duì)煤層模型放煤，也就是如果放煤歩距是0.8m，實(shí)行一采一放的形式；如果放煤歩距為1.6m，實(shí)行兩采一放的形式；如果放煤歩距是2.4m時(shí)，實(shí)施三采一放的形式。

4 放煤步距研究模擬過(guò)程分析

在說(shuō)明煤體運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，和煤矸流動(dòng)以及煤巖分界線(xiàn)有很大關(guān)系。在煤體運(yùn)動(dòng)時(shí)，支架一直處于前移的狀態(tài)，讓支架放煤口以及煤巖發(fā)生移動(dòng)。支架更改原來(lái)的位置以后，它的上方以及斜后方位置的煤體因?yàn)闆](méi)有來(lái)自支架的支撐，會(huì)向下移動(dòng)，原來(lái)支架所處的空間以及位置被占據(jù)，使放煤邊界線(xiàn)產(chǎn)生改變。邊界線(xiàn)指的是支架位置改變以后，原來(lái)前部煤巖的分界線(xiàn)改變稱(chēng)為下一次放煤的邊界線(xiàn)。在放煤過(guò)程中，邊界線(xiàn)不斷更替改變，到工作完成時(shí)才停止。把最終的放煤界限稱(chēng)為放煤停止邊界線(xiàn)。更改支架的所處位置，一直反復(fù)上面的過(guò)程，全部放煤量是初始與停止邊界線(xiàn)全部放煤量的總和[6～12]。在放煤時(shí)，由于頂煤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)法精確知道，放煤的具體步距也不清楚，很多頂煤無(wú)法產(chǎn)出，造成很多的步距損失。

在開(kāi)采煤層時(shí)，因?yàn)樘幱谇懊娴拿簩淤|(zhì)地非常均勻，條件很穩(wěn)定，即使放煤步距發(fā)生改變，對(duì)頂煤移動(dòng)也基本沒(méi)有影響。將那些沒(méi)有人工帶來(lái)影響的煤區(qū)叫做原始煤區(qū)，如果支架的上面有冒落區(qū)，把該區(qū)域叫做散體冒落區(qū)，因?yàn)槊后w位置的改變會(huì)有拉力，剪切破壞區(qū)以及壓縮變形區(qū)出現(xiàn)。在冒落區(qū)位置煤體的運(yùn)動(dòng)量是最大的，位置發(fā)生了顯著的改變。向垂直下面的位置移動(dòng)。

從圖4中可看出，對(duì)開(kāi)采工作來(lái)說(shuō)，放煤口位置的水平投影長(zhǎng)度高于放煤步距，處于頂部的煤體會(huì)在原定時(shí)間之前運(yùn)動(dòng)到放煤口，如果大于原來(lái)的一半高度，煤體的流動(dòng)速度會(huì)減慢，處在中間的頂煤迅速?gòu)脑瓉?lái)位置流出，處于后面位置的矸石移動(dòng)速度比處于上部位置的要快很多，因此前者比后者先到達(dá)放煤口。在剛開(kāi)始放煤的時(shí)候，會(huì)在放煤口的位置發(fā)現(xiàn)矸石，但是其對(duì)放煤工作沒(méi)有任何影響，如果后面有很多矸石運(yùn)動(dòng)到放煤口位置，并且把放煤口堵塞時(shí)，應(yīng)該立刻暫停放煤。

圖4 一采一放頂煤運(yùn)移圖

從圖5中可看出，對(duì)開(kāi)采工作來(lái)說(shuō)，放煤口位置的水平投影比放煤步距小很多，煤矸運(yùn)動(dòng)速度比較慢，位于放煤口位置的煤塊以及支架位置上的頂煤都集中轉(zhuǎn)移到放煤口位置。

圖5 兩采一放頂煤運(yùn)移圖

從圖6中可看出，對(duì)開(kāi)采工作來(lái)說(shuō)就是處于放煤口位置的投影長(zhǎng)度比放煤步距小很多，因此在放煤口位置會(huì)放出很多煤，放煤位置的初始邊界和采空區(qū)非常接近，有較大的跨度，煤層下方是一些質(zhì)地非常堅(jiān)硬的底板以及矸石，所以煤體無(wú)法正常流動(dòng)，即使能夠流動(dòng)，速度也非常慢。對(duì)那些離放煤口比較近的頂煤來(lái)說(shuō)，因?yàn)樽陨碇亓^大，位于后方的矸石會(huì)向前推動(dòng)，頂煤慢慢移動(dòng)到放煤口，因?yàn)轫斆阂苿?dòng)過(guò)程中，后面的矸石頂替原來(lái)頂煤的位置，構(gòu)成一個(gè)不能輕易放煤的三角形煤區(qū)。那些處于放煤口上方的煤層有著較快的流動(dòng)速度，流動(dòng)空間非常大，能夠用最快的速度移動(dòng)到放煤口位置，對(duì)頂部煤層來(lái)說(shuō)，流出的總量比較少，處于中部位置的矸石向下凹陷，形成凹面。隨著頂煤的流出，位于中部區(qū)域的頂煤會(huì)被矸石頂替，一直到流到放煤口位置。煤體這樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)使兩邊的煤體無(wú)法順利流出，處于中間區(qū)域的矸石阻擋了放煤的正常運(yùn)行，這時(shí)候只能選擇停止工作，防止產(chǎn)生更大煤損失。

圖6 三采一放頂煤運(yùn)移圖

5 放煤步距模擬結(jié)果分析

利用數(shù)值模擬分析的方式可知，僅僅分析初始位置到工作面推進(jìn)11m的位置就能夠得到各種不同類(lèi)型放煤方式的不同結(jié)果。

利用各種不同類(lèi)型的方式對(duì)實(shí)體煤進(jìn)行開(kāi)采，調(diào)節(jié)放煤步距以及總的移動(dòng)距離相同，即9.6m，放煤步數(shù)達(dá)到12次，其中，兩采一放方式進(jìn)行的步數(shù)是6次，三采一放為4次，一共需要利用41.66t頂煤儲(chǔ)存量，將3種不同的放煤方式進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖7。

圖7 3種放煤方式放煤效果對(duì)比

通過(guò)一采一放的方式開(kāi)采煤體時(shí)，將放煤步距設(shè)定為0.8m，放煤口位置處的投影長(zhǎng)度比放煤步距大很多，如果發(fā)現(xiàn)矸石，可以持續(xù)進(jìn)行工作，一直到放煤口位置處的煤體總數(shù)量高出矸石總數(shù)量2倍的時(shí)候暫停工作，把損失降到最小，放煤量高達(dá)37.18t，含有矸石率較高，在25%到45%之間，頂煤放出率高達(dá)88.88%。在確保放煤率較高的前提下，其中的含矸率必然越大，這樣煤體的質(zhì)量就比較差。在確保煤體質(zhì)量合格的前提下，就必須減少煤體的放出總數(shù)量。

通過(guò)兩采一放的方式開(kāi)采煤體時(shí)，將放煤步距設(shè)定為1.6m，放煤口位置處的投影長(zhǎng)度比放煤步距小很多，放煤總數(shù)量為35.97t，煤體的含矸率達(dá)到13%，放煤率為85.9%。和一采一放方式比較，放出煤體的數(shù)量大幅度減少，但是煤體的質(zhì)量有所提高，這種方式能夠很好地確保較高的放煤總量以及煤體的含矸率。

通過(guò)三采一放的方式開(kāi)采煤體時(shí)，將放煤步距設(shè)定為2.4m，放煤口位置處的投影長(zhǎng)度比放煤步距小很多，放煤總數(shù)量為31.61t，煤體的含矸率達(dá)到17%，放煤率為78%。和兩采一放方式相比，該法放出的煤體數(shù)量大幅度減少，放煤質(zhì)量也比較差，如果要保證該方式下的煤體產(chǎn)量等于一采一放方式下的煤體產(chǎn)量，那就會(huì)出現(xiàn)煤體的含矸率達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象，如果要確保煤體質(zhì)量和兩采一放方式下的煤體質(zhì)量處于同等水平，就會(huì)大大減少煤體的總放出量。

總之，在開(kāi)采煤體時(shí)，必須比較煤體放出率以及含矸率這兩個(gè)指標(biāo)，設(shè)定符合要求的放煤步距，有利于提高收益，研究上面3種不同的開(kāi)采方式以及結(jié)果得到，兩采一放方式是一種比較好的放煤方式。

6 結(jié)語(yǔ)

研究上面3種不同形式的放煤方式得到，利用兩采一放的形式，在總煤體放出量以及煤體質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面都能夠達(dá)到規(guī)定要求。綜合5- 108工作面的實(shí)際工作狀況，最為理想的采煤形式應(yīng)該為兩采一放方式，將放煤步距設(shè)定為1.6m，本文根據(jù)該工作面的煤體賦存實(shí)際情況得到一些較為合適的放煤參數(shù)，能夠提高工作效率，增大放煤產(chǎn)量，同時(shí)，還可以給其他工作面在選擇放煤步距問(wèn)題上提供一定的參考。

[1] 胡明鑒,汪 稔,陳中學(xué),王志兵.泥石流啟動(dòng)過(guò)程PFC數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2010，(S1):394-434.

[2] 周 健,池 永,池毓蔚,徐建平.顆粒流方法及PFC2D程序[J].巖土力學(xué),2000，(3):243-244.

[3] 韓 哲，趙鐵林，解興智.提高淺埋堅(jiān)硬特厚煤層頂煤冒放性技術(shù)研究[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(1):18-20.

[4] 趙鐵林.淺埋堅(jiān)硬特厚煤層頂煤冒放性及其改善研究[D].北京: 煤炭科學(xué)研究總院，2015.

[5] 王家臣，張錦旺.綜放開(kāi)采頂煤放出規(guī)律的BBR研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2015，40(3):487-493.

[6] 解興智，趙鐵林.淺埋堅(jiān)硬特厚煤層綜放開(kāi)采頂煤冒放結(jié)構(gòu)分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，41(2):359-366.

[7] 劉一博，白云虎，侯建國(guó).淺談綜采放頂煤開(kāi)采的發(fā)展及存在的問(wèn)題與對(duì)策[J].煤礦安全，2011,42(6):60-162.

[8] 李 磊，黃炳香，劉長(zhǎng)友，等.厚煤層放煤工藝參數(shù)的散體模擬研究[J].煤礦開(kāi)采，2008，(5):8-20.

[9] 商鐵林，張 穎.影響頂煤采出率關(guān)鍵因素的UDEC數(shù)值模擬研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011,11(21):64-67.

[10] 張 勇，司艷龍，石 亮.塊度對(duì)頂煤放出率影響的數(shù)值模擬分析[[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011, 28(2):47-51.

[11] 孟憲銳，丁自偉.綜放開(kāi)采放煤循環(huán)方式的合理確定及頂煤放出率分析[[J].煤炭工程，2011，(5):1-3.

[12] 王家臣，楊勝利，黃國(guó)君，等.綜放開(kāi)采頂煤運(yùn)移跟蹤儀研制與頂煤回收率測(cè)定[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013,41(1):36-39.

Numerical simulation study of coal-drawing interval of fully mechanized caving face

In order to determine the reasonable coal-drawing parameters of 5- 108 fully mechanized caving face of a coal mine, according to the similarity theory of granular medium and field data, PFC2D software was used to study the influence of different coal-drawing interval on top coal movement law, coal and rock flow path, top coal recovery rate and refuse content. Through the simulation the best drawing way was obtained, and based on it using PFC software simulated and analyzed the coal-drawing interval to select the best. The results showed that the best coal drawing way of 5- 108 fully mechanized caving face was two mining and one caving, and the best drawing interval was 1.6m.

fully mechanized caving face; coal-drawing interval; numerical simulation

TD822+.1

A

靳少博(1988-)，男，助理工程師，從事采礦技術(shù)工作。