楊大鵬，李新源，郭 宇，潘衛(wèi)東，吳仁倫

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

厚及特厚煤層放頂煤開采中，頂煤在垂直方向加載及水平方向逐漸卸載作用下先破壞[1，2]而后破碎冒落于支架后方[3，4]，其破壞及破碎過程實質(zhì)上是頂煤由擬連續(xù)體到散體的介質(zhì)屬性轉(zhuǎn)化過程。受煤層硬度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度及頂板條件等因素影響，未垮落頂煤在支架上方將形成不同的垮落形態(tài)，這種形態(tài)特征在微觀上是呈臺階狀，宏觀上則可視為是具有一定傾角的斜線[5]，通常用垮落角進行描述。王家臣指出，堅硬煤層(f≥3)的垮落角小于60°，中硬煤層(f=1～3)的垮落角介于60°～80°，軟煤層(f<1)的垮落角大于90°[6]。破碎后的散體頂煤經(jīng)綜放支架放煤口流動到后部刮板輸送機的過程實質(zhì)是受特定邊界約束下的顆粒介質(zhì)流動過程。因此，研究頂煤在未垮落頂煤及綜放支架影響下的流動過程對于掌握頂煤放出規(guī)律具有重要意義?，F(xiàn)有研究雖然關(guān)注到了綜放支架對放煤過程的影響[7，8]，但卻忽略了頂煤及直接頂在工作面走向上介質(zhì)屬性的差異性，而將頂煤及直接頂完全視為散體。

此外，破碎后的散體煤矸通常由只具內(nèi)摩擦力而無內(nèi)聚力或內(nèi)聚力很小的大量塊度不一的塊體結(jié)構(gòu)組成[14]，這些塊體的幾何形態(tài)通常很難通過定量的指標(biāo)進行描述。多數(shù)研究中將煤矸塊體簡化為二維狀態(tài)的圓形或三維的球形，這造成散體煤矸流動過程中運動阻力減小，導(dǎo)致散體煤矸流動特征發(fā)生變化。在考慮煤矸塊體形態(tài)對其流動規(guī)律影響的基礎(chǔ)上，通過將多個圓形顆粒進行剛性粘結(jié)的方法生成具有一定形態(tài)特征的煤矸塊體，進而研究頂煤在未垮落頂煤的影響下的流動過程及放出規(guī)律。

1 數(shù)值模型及模擬方案

為研究頂煤垮落角對頂煤放出過程的影響，建立數(shù)值計算模型如圖1(a)所示。模型長21m，煤層厚度設(shè)置為6m，機采高度2m，放煤高度4m，采放比1∶2，直接頂厚度4m?？紤]到實際煤矸塊體的不規(guī)則性，采用不規(guī)則六邊形模擬煤矸塊體形態(tài)，如圖1(b)所示，其中頂煤等效直徑為0.1m，矸石的等效直徑為0.15m。采用重力堆積法進行建模，為更好的反映顆粒不規(guī)則性引起的阻礙自身轉(zhuǎn)動的效應(yīng)，各單元間采用抗轉(zhuǎn)動線性接觸模型?？紤]到破碎前頂煤體的致密性，建模過程中各單元摩擦系數(shù)及接觸間滾動摩擦系數(shù)設(shè)置為0，建模完成后通過屬性繼承的方式對各單元及接觸參數(shù)進行重新設(shè)置，見表1、表2。

圖1 數(shù)值計算模型及煤矸塊體形態(tài)

表1 材料參數(shù)

表2 接觸參數(shù)

為簡化模擬流程，設(shè)置頂煤及直接頂垮落角θ一致。放煤過程中通過對頂煤垮落線實體煤側(cè)頂煤及直接頂顆粒施加位移約束，從而模擬未破碎垮落的頂煤及直接頂巖石，如圖2所示。模擬過程中，工作面自開切眼處推進6 m后開始進行初次放煤，采用常見的“一刀一放”的放煤方式，每循環(huán)放煤步距為0.6m，共計放煤16次。通過軟件內(nèi)嵌的fish語言編寫自定義函數(shù)，放煤過程嚴(yán)格按照“見矸關(guān)門”的準(zhǔn)則終止每一循環(huán)放煤。結(jié)合放頂煤工作面實際頂煤垮落情況，共設(shè)計模擬方案6組，分別為頂煤垮落角60°、75°、90°、105°、120°及完全散體條件下的數(shù)值放煤試驗。6組試驗中支架掩護梁角度均為60°，掩護梁與尾梁交點位于0.5倍采高處，放煤過程通過使尾梁繞掩護梁與尾梁交點旋轉(zhuǎn)一定角度實現(xiàn)。

圖2 頂煤垮落角模擬方案

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 放煤量與頂煤損失

支架完成16個放煤循環(huán)后每一放煤循環(huán)的頂煤放出量見表3。由表3可知，最大頂煤放出量出現(xiàn)在初始放煤階段，且頂煤放出量基本上隨頂煤垮落角θ的增大而增大，但在頂煤為散體狀態(tài)時略有下降。頂煤放出量呈明顯的周期性特點，正常循環(huán)階段每間隔一定放煤步距出現(xiàn)一次頂煤放出量的峰值，稱為一個放煤周期。當(dāng)θ≤90°時，放煤周期為5個放煤步距，當(dāng)90<θ≤105°時，放煤周期為6個放煤步距，當(dāng)θ>105°時，放煤周期達(dá)到6～7個放煤步距。如圖3所示，當(dāng)θ≤75°時，峰值頂煤放出量隨頂煤垮落角θ的增大而增大，而非峰值頂煤放出量卻隨頂煤垮落角θ的增大逐漸減小。當(dāng)θ>75°時，峰值頂煤放出量隨頂煤垮落角θ的增大逐漸減小，而非峰值頂煤放出量卻隨頂煤垮落角θ的增大逐漸增大，但當(dāng)θ>90°后，非峰值頂煤放出量的增張幅度較小。峰值及非峰值頂煤放出量差值則表現(xiàn)為：以θ=75°為界，當(dāng)θ≤75°時，兩者差值隨頂煤垮落角θ的增大逐漸增大，當(dāng)θ>75°時，兩者差值隨頂煤垮落角θ的增大逐漸減小。

表3 頂煤放出量

圖3 正常循環(huán)階段峰值及非峰值頂煤放出量統(tǒng)計平均值

圖4 頂煤放出總量及放出率

不同頂煤跨落角θ情況下頂煤放出量及放出率如圖4所示，由圖4可知，當(dāng)θ≤75°時，頂煤放出總量(總放煤量)和循環(huán)放煤階段頂煤放出量隨頂煤垮落角θ增大逐漸增加，并在θ=75°時達(dá)到最大值，隨后在θ>75°時迅速減少而后逐漸增加，但在頂煤為散體狀態(tài)是略有下降。頂煤放出率與頂煤放出量呈現(xiàn)相同的變化趨勢，頂煤放出率在θ=75°時達(dá)到最大，達(dá)到81.0%，在θ=60°及θ=90°時放出率最小，約為70%。

采空區(qū)遺煤分布情況如圖5所示。由圖5可知，除頂煤全部為散體狀態(tài)外，其他情況下頂煤損失均具有明顯的周期性特點，且煤損周期與放煤周期基本一致?？傮w來看，存在垮落角時的頂煤損失由峰值放煤時形成的峰值煤損及非峰值放煤時形成的非峰值煤損構(gòu)成。當(dāng)θ≤75°時，頂煤損失主要由峰值煤損構(gòu)成。放出頂煤原始位置如圖6所示，結(jié)合圖6可知損失頂煤原始位置靠近頂煤的中上部。當(dāng)θ>75°時，隨著頂煤垮落角θ不斷增大，峰值煤損量逐漸減少而非峰值煤損量逐漸增加，損失頂煤的原始位置也逐漸向頂煤上部靠近。當(dāng)頂煤為散體狀態(tài)時，幾乎每一放煤循環(huán)都將會在采空區(qū)形成一定程度的頂煤損失，損失頂煤的原始位置位于頂煤的上部。

圖5 采空區(qū)遺煤分布情況

2.2 煤矸分界面與放出體

2.2.1 初始放煤階段

初始放煤階段不同頂煤垮落角θ時的放出體與煤矸分界面如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)θ≤75°時，放煤口上方頂煤及直接頂垮落后形成的煤矸分界面與支架上方頂煤分界面在頂煤垮落線處斷開，煤矸分界面與頂煤分界面不連續(xù)，且煤矸分界面基本呈直線狀，放出體的發(fā)育受到支架掩護梁(尾梁)及未垮落頂煤的雙重切割影響而只在采空區(qū)側(cè)自由發(fā)育成似橢球狀，放出體偏向采空區(qū)。當(dāng)θ>75°或頂煤全部為散體狀態(tài)時，放煤口上方煤矸分界面與支架上方頂煤分界面保持連續(xù)，且煤矸分界面在支架掩護梁上方呈“上凸”狀，未垮落頂煤對放出體的影響隨頂煤垮落角的增大逐漸減小，且放出體逐漸偏向工作面方向。

圖7 初始放煤階段放出體與煤矸分界面

2.2.2 正常循環(huán)放煤階段

分別選取不同頂煤垮落角情況下的一個放煤周期進行研究。正常循環(huán)階段不同頂煤垮落角θ時的峰值放出體和煤矸分界面如圖8所示。由圖8可知，θ=75°時放出體最為發(fā)育，隨后，放出體體積隨頂煤垮落角增大逐漸減小，且放出體逐漸偏向工作面方向。在不考慮支架后方矸石提前竄出的情況下，單純從煤矸分界面形態(tài)來看，當(dāng)頂煤垮落角θ較小時，煤矸分界面在支架上方明顯呈“下凸”狀，而在采空區(qū)方向則呈“外凸”狀，如圖8(a)(b)和(c)所示。在放煤過程中，“下凸”和“外凸”狀的煤矸分界面將造成放出體易支架上方煤矸分界面相切，從而導(dǎo)致靠近采空區(qū)側(cè)的部分頂煤遺留于采空區(qū)而不能被放出，形成周期性峰值頂煤損失。隨著頂煤垮落角θ的增大，煤矸分界面在支架上方“下凸”逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧贤埂?，在采空區(qū)方向“外凸”程度也逐漸減小。

圖8 正常循環(huán)階段峰值放出體和煤矸分界面

非峰值放煤循環(huán)中，由于頂煤放出量減少，放出體發(fā)育過程基本不再受未垮落頂煤的直接影響。總體而言，以頂煤垮落角θ=75°為界，當(dāng)θ≤75°時，放出體體積基本上隨頂煤垮落角增大逐漸減小，當(dāng)θ>75°或頂煤全部為散體狀態(tài)時，放出體體積則隨頂煤垮落角增大逐漸增大。從放出體與煤矸分界面的關(guān)系考量，放出體的發(fā)育主要受到來自支架后方的矸石影響。

2.3 頂煤流動路徑

頂煤顆粒流動路徑如圖9所示。由圖9可知，受支架掩護梁(尾梁)及未垮落頂煤影響，頂煤流動路徑在放煤口中心線兩側(cè)并不對稱，這是導(dǎo)致放出體非對稱的根本原因。當(dāng)θ≤75°時，初始位置靠近采空區(qū)側(cè)的頂煤流動過程只受到支架尾梁影響，如A、B、C、D、E，其流動路徑由兩段直線組成，分別為自由流動段和尾梁影響段。而初始位置靠近工作面?zhèn)鹊捻斆河捎谑艿街Ъ苎谧o梁(尾梁)及未垮落頂煤的雙重影響，如F、G、H、I、J，其流動路徑則由三段直線組成，分別為未垮落頂煤影響段、支架掩護梁影響段、支架尾梁影響段。當(dāng)θ>75°或頂煤為散體狀態(tài)時，未垮落頂煤對頂煤流動的影響隨頂煤垮落角θ的增大逐漸減小，初始位置靠近工作面?zhèn)软斆旱牧鲃勇窂接扇沃本€組成，分別為自由流動段、支架掩護梁影響段和支架尾梁影響段。

圖9 頂煤顆粒流動路徑

3 頂煤損失分析及放煤工藝優(yōu)化

由上述分析可知，放出體偏轉(zhuǎn)角度不僅受支架影響，而且與頂煤垮落角θ有關(guān)。頂煤垮落角的存在將導(dǎo)致放出體的偏轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化。而當(dāng)θ=75°時，初始放煤階段放出體和正常循環(huán)階段峰值放出體偏轉(zhuǎn)角度基本與頂煤垮落角一致，這使得放出體能夠充分發(fā)育，實現(xiàn)較高的頂煤回收率。

當(dāng)θ<75°時，頂煤損失來自于滯后垮落的頂煤，當(dāng)θ>75°或頂煤為散體狀態(tài)時，頂煤損失主要是由放出體與煤矸分界面相切范圍過小造成的。雖然不同頂煤垮落角下煤損的來源并不相同，但煤矸分界面及放出體作為影響頂煤放出的共同因素卻是一致的。因此，放煤工藝的優(yōu)化應(yīng)該包含兩個方面，第一是構(gòu)建有利于放出體發(fā)育的煤矸分界面形態(tài)，即構(gòu)建“上凸”和“外凸”狀煤矸分界面，第二是在保證含矸率符合要求的前提下盡量擴大放出體與煤矸分界面的相切范圍。

當(dāng)頂煤垮落角θ<75°時，初始放煤階段及峰值放煤循環(huán)應(yīng)嚴(yán)格控制放煤量使未垮落的頂煤后方存在一定量的散煤，避免后續(xù)垮落的頂煤自由冒落到矸石上方造成煤矸分界面在支架上方呈“下凸”或“內(nèi)凸”狀，造成滯后垮落的頂煤在放煤過程中難以被放出。同時，非峰值放煤循環(huán)應(yīng)適當(dāng)多放一些矸石以擴大放出體與煤矸分界面的相切范圍。當(dāng)θ>75°或頂煤為散體狀態(tài)時，煤矸分界面的形態(tài)對放出體的發(fā)育較為有利，放煤過程中應(yīng)通過放出一定量的矸石來擴大放出體與煤矸分界面的相切范圍，從而提高工作面的頂煤回收率。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

青東礦846工作面走向長約395m，傾向長150m，煤層厚度為7.66～9.98m，平均8.8m。由于煤層原生裂隙極其發(fā)育，煤質(zhì)較為松軟，煤層普氏硬度系數(shù)僅為0.3，據(jù)此推測煤層在支架上方接近散體狀態(tài)。在放煤工藝設(shè)計上，在滿足要求混矸率條件下，每一放煤循環(huán)均應(yīng)盡可能的增大放出體體積。通過放出一定量矸石來減少采空區(qū)頂煤損失。通過進行數(shù)值模擬分析，得到頂煤放出率與含矸率間呈如圖10所示關(guān)系。由圖10可知，當(dāng)含矸率低于10%時，頂煤放出率隨含矸率增加迅速增加，隨后頂煤放出率增長速度逐漸放緩，當(dāng)含矸率達(dá)到25%以上時，頂煤放出率基本不再發(fā)生變化。

圖10 頂煤放出率與含矸率關(guān)系

現(xiàn)場應(yīng)用中以放出頂煤的含矸率達(dá)到10%作為終止放煤的依據(jù)。測得工藝優(yōu)化后的頂煤回收率達(dá)到82.8%，相較優(yōu)化前頂煤回收率提高了11.4%，取得了良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié) 論

1)當(dāng)頂煤垮落角θ≤75°時，放出體受到來自支架掩護梁(尾梁)及未垮落頂煤的雙重切割影響而只在采空區(qū)側(cè)自由發(fā)育成似橢球狀，當(dāng)頂煤垮落角θ>75°時，未垮落頂煤對放出體的影響影響較小，并在頂煤完全為散體時不再對放煤過程產(chǎn)生影響，放出體隨頂煤垮落角的增大逐漸成為僅受支架掩護梁(尾梁)影響的切割變異橢球體。

2)當(dāng)頂煤垮落角θ≤75°時，頂煤放出率隨θ增大而增加，隨后在θ=90°時迅速減少，而后隨θ增大逐漸增加。頂煤放出率在θ=75°時達(dá)到最大為81.0%，在θ=60°及θ=90°時最小為70%。

3)頂煤塊體的流動不僅受到支架掩護梁(尾梁)的影響，而且受到來自未垮落頂煤的影響。頂煤流動邊界的改變將導(dǎo)致頂煤運動方向發(fā)生變化，從而導(dǎo)致頂煤流動路徑在放煤口中心線兩側(cè)并不對稱，這是導(dǎo)致放出體非對稱的根本原因。

4)放煤工藝的優(yōu)化應(yīng)綜合考慮煤矸分界面與放出體形態(tài)及其位置關(guān)系。當(dāng)頂煤垮落角θ≤75°時，初始放煤階段及峰值放煤循環(huán)應(yīng)嚴(yán)格控制放煤量使未垮落的頂煤后方存在一定量的散煤且非峰值放煤循環(huán)應(yīng)適當(dāng)多放一些矸石以擴大放出體與煤矸分界面的相切范圍。當(dāng)θ>75°或頂煤為散體狀態(tài)時，放煤過程中應(yīng)通過放出一定量的矸石來擴大放出體與煤矸分界面的相切范圍。