大倾角厚煤层综放开采颗粒元分析

大倾角厚煤层综放开采颗粒元分析

王树仁1,2) 王金安2) 刘淑宏3) 吴顺川2) 谢俊文2)

1)燕山大学建筑工程与力学学院,秦皇岛066004 2)北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083

3)东北大学秦皇岛分校,秦皇岛066004

摘 要 应用PFC 2D 计算程序,对某矿水平与倾斜联合布置的折线型综采面,分析了散体顶煤和破碎直接顶的落放过程及落放形态,揭示了不同放煤步距连续推进模式下的煤损动态特征,并对不同放煤顺序的顶煤回收率及支架受力工况进行了优化分析.研究表明:折线型综采面采用自上而下的回采顺序,顶煤回收率高,支架受力均匀;低位单口放煤时,放出体形态向采空区侧偏转;在支架连续推进过程中,煤损形态节律性变化;大倾角厚煤层综放开采,采用中档放煤步距的经济技术效果较好.

关键词 大倾角厚煤层;综采放顶煤;散体介质;运移特征;数值模拟分类号 T D 823 21

收稿日期:20050627 修回日期:20060320

基金项目:高等学校博士学科专项科研基金(No.20040008025)作者简介:王树仁(1968 ),男,副研究员,博士

目前,对综放开采过程中顶煤及覆岩的运动规律、散体顶煤及破碎直接顶的落放过程及落放规律的研究

[1]

,主要采用现场实测、室内实验和

理论分析三种方法.由于受到客观条件的限制及各种复杂因素的影响,现场实测不易获取系统的

内在规律,而且局部的测定结果也很难无争议地推广到大范围的工程中去.对岩土类材料相似模型的相似率不易得到很好的满足,一直是相似材料模拟实验难以得到更好应用的最大障碍.现有的解析方法,由于基本假设太多,往往与工程实际脱节,或者难于取得可靠有效的计算参数,使得到的结果与工程实际相差很大.室内数值模拟实验可人为地控制和改变实验条件,能考虑单因素或多因素对问题的影响,实验周期短、成本低、可视化效果好,实验可多次重复进行且能保存实验结果,已成为当前广泛应用的研究方法

[23]

.

本文采用现场实测初参数、室内模拟实验与现场生产实践相结合的研究方法,对某矿大倾角厚煤层综放开采过程中,散体顶煤和破碎顶板的落放过程、落放规律以及在不同放煤步距连续推进模式下的煤损特征等进行模拟分析,并对折线型综放面不同放煤顺序的顶煤回收率及支架受力工况等进行优化分析,以期研究成果更好地服务于现场工程实践.

1 工程背景

甘肃靖远某矿四煤层为矿井的主采煤层,沉

积层位较稳定,煤层倾角为29~47 ,煤层厚度8 60~24 40m,平均厚度16 43m.煤岩结构为单一条带状和层状结构.四煤层的伪顶为黑色、深灰色泥岩和炭质泥岩,质软,易冒落,厚度为0 30~1 20m;直接顶为深灰色粉砂岩和细砂岩,厚度为7 87~47 50m;老顶为深灰色、灰色细砂岩和粗砂岩,厚度为6 37~52 63m.四煤层的底板为灰色、灰黑色粉砂岩,坚硬稳固性好,厚度为2 70~13 37m.井田内四煤层为低硫、低磷、低灰分、发热量较高的优质动力用煤.

该矿四煤层综放面走向长度为600m,倾斜长度112m,采高2 40~2 80m,初选支架类型为四柱、低位支架,宽度1 50m,高度1 70~3 00m,平均放高为13 63m,整个煤层埋深为260~320m.

综采面下部水平布置,上部沿煤层倾向布置.因此,该综放面兼有水平开采和倾斜开采的特点,综放采场的煤岩应力、变形与破坏规律将具有新的特色[4].试采煤层倾角约为30 ,试采成功后将开采该矿倾角为42 的煤层.

2 计算模型及模拟方案分类

2 1 综放顺序优化模拟方案

采用PFC 2D 计算程序[5],对大倾角厚煤层沿煤层倾向不同综放顺序进行优化分析,构建如图

第28卷第9期2006年9月北京科技大学学报

Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.28No.9Sep.2006

1所示的计算模型.图1中标识的A,B 与C 分别表示为三个放煤口,放煤口长度均为1 5m,编号1~5分别表示各个位置的放煤支架

.

图1 不同综放顺序计算模型

Fig.1 Computational model of different caving s equences

6种放煤顺序模拟方案如下.

方案1(A B C):首先放A,接着放B,最后放C;

方案2(A C B):首先放A,接着放C,最后放B;

方案3(C A B):首先放C,接着放A,最后放B;

方案4(B A C):首先放B,接着放A,最后放C;

方案5(B C A):首先放B,接着放C,最后放A;

方案6(C B A):首先放C,接着放B,最后放A.

2 2 放煤步距优化模拟方案

以某矿的综放面为工程背景,构建煤厚13 2m(4煤),5m 破碎直接顶与3m 顶板岩梁的计算模型(如图2所示).顶煤块体大小为0~300mm,按高斯随机分布考虑,为减少机时、加快计算收敛速度,舍掉少量的过大或过小的块体

.

图2 低位支架放顶煤计算模型

Fig.2 Computational model of the low location of the powered support

模拟分析过程:首先,进行单孔低位放顶煤散

体顶煤落放过程、落放形态及落放规律的数值模拟分析,采放比1 4 7(采2 8m,放13 2m );然后,对连续推进放煤支架过程中,0 6,1 2与1 8m 三种放煤步距下,散体顶煤动态跨落放出的煤损形态与顶煤回收率进行模拟分析,优化得出合理的放煤步距.

三种放煤步距的模拟方案如下.方案1:采一放一(放煤步距0 6m);方案2:采二放一(放煤步距1 2m);方案3:采三放一(放煤步距1 8m).根据现场取样和岩石力学实验结果,并考虑到岩石的尺度效应,模拟计算采用的岩体力学参数见表1.

表1 岩体力学参数表

Table 1 Mechanical parameters of rockmass

岩石名称容重/(kg m -3)法向刚度/(N m -1)切向刚度/(N m -1)粘结力/N 摩擦因数矸石25004 0 1084 0 10800 40煤层

1400

2 0 108

2 0 108

0 40

3 计算结果分析

3 1 综放顺序优化分析

3 1 1 顶煤回收率分析

对不同综放顺序计算模型的顶煤回收率进行量化研究,计算结果如图3所示.由不同综放顺序与顶煤回收率关系曲线可见,6种模拟方案,方案6(C B A)顶煤回收率最高,方案1(A B C)顶煤回收率最低.

以顶煤回收率的大小为基准,进行折线型综采面布置,综放顺序优化的结果为C B A 方案.

图3 不同综放顺序与顶煤回收率关系曲线图

Fig.3 Top -coal recovery curves by different caving sequences

3 1 2 支架受力工况分析

对折线型综放面布置,不同的综放顺序,支架所受荷载的大小及支架受力分布状况是不同的.6种综放顺序各部位支架受力状况的模拟结果如

809 Vol.28No.9王树仁等:大倾角厚煤层综放开采颗粒元分析

图4所示.由计算结果知:综放顺序分别为(C B A)和(B C A)时,各支架所受荷载平均值较小,两端头支架的受力较小,中间支架受力分布比较均匀;综放顺序为(A B C)时,端头支架所受荷载较大,且支架受力分布最不均匀.因此,在现场工程实践中,整体上选用了自上而下C B A 的综放顺序,而在倾斜综放面的各个区段如B 和C 段内,采用了自下而上的放煤顺序,取得了较好的经济技术效益

.

图4 不同综放顺序的支架受力曲线图

Fig.4 Force cu rves of powered su pp orts by different caving s e -qu ences

3 2 放煤步距优化分析

3 2 1 单孔低位放顶煤落放过程分析

由图5所示,低位支架单口放煤时,放煤口中心线两侧的放落体不对称,偏向采空区侧,尤其是接近放煤口附近的放落体,出现落放中心线偏转现象[6],即放出体形态向采空区侧偏转,该现象在速度场流线图中表现得较为明显(如图6所示

).

图5 低位支架单口放顶煤后煤矸落放形态图

Fig.5 Simulated resu lts of th e top -coal and rock on the low lo -cation of the powered support

此外,由图6可见,在低位放煤口附近的一定范围内,放落体颗粒的运动受支架尾梁和放出口倾斜的影响较大.在同一水平层位的颗粒点移动轨迹表明,靠近采空区侧颗粒的影响范围和移动

距离明显大于实体煤壁侧.

3 2 2 顶煤动态落放过程中的煤损特征分析

在连续推进支架模式下,放煤步距分别为0 6,1 2和1 8m 时,顶煤动态跨落、放出及煤损形态与煤矸落放位移矢量场分别如图7和图8所示.

图6 低位支架单口放顶煤后煤矸速度矢量场图Fig.6 Velocity vectors of the top -coal and rock on the low loca -tion of the powered s upport

图7 不同放煤步距顶煤与矸石的落放、煤损形态图Fig.7 Simulated resu lts of the loose coal and rock by different caving distances

由图7可见,以放煤口连续放出见矸即关门的原则,在支架连续推进、不同放煤步距、动态放煤过程中,对顶煤和矸石的跨落、放出及煤损的规律进行研究.结果表明,在支架连续推进过程中,不同的放煤步距在采空区造成的煤炭损失表现为节律性变化,煤损形态呈倾向采空区侧的不规则条带状[7].

由图8可见,在支架连续推进、不同放煤步

810 北 京 科 技 大 学 学 报2006年第9期

图8 不同放煤步距顶煤与矸石落放速度矢量场图

Fig.8 Velocity vectors of the loose medium by different caving distances

距、动态放煤过程中,顶煤和矸石的跨落,即放出体形态向采空区侧偏转.此外,由计算结果知,在见矸关门的时刻,放煤步距为1 2m时,放落体质点的运动速度最大,表明该情况下的煤体受阻较小、最易放出.

3 2 3 不同放煤步距顶煤回收率分析

对不同放煤步距、支架连续推进放煤过程中的煤损进行量化研究.本文定义顶煤放出量占推进范围顶煤总量的百分比为顶煤相对回收率.

由顶煤回收率统计表(见表2)可知,仅从数值大小来看,采一放一(放煤步距0 6m)放煤模式的顶煤回收率最高,采三放一(放煤步距1 8 m)放煤模式的顶煤回收率最低.放煤步距为0 6 m的顶煤绝对回收率,分别比放煤步距为1 2m 与1 8m时相应提高2 2%与9 0%;相对回收率相应提高2 9%与10 9%.

综上所述,对大倾角、厚煤层综放开采,采用中挡步距放煤模式(放煤步距1 2m),能够减少频繁移架的次数、节约工时,且煤体受阻较小、容 易放出,综合经济技术效果较好.

表2 不同放煤模式顶煤回收率计算结果表

T able2 Calcu lated recovery of top-coal by different caving dis-tances

放煤步距/m顶煤绝对回收率/%顶煤相对回收率/%

0.664.485.8

1.26

2.282.9

1.855.474.9

4 结论

(1)以顶煤回收率最优和支架受力状况最佳两个指标,对大倾角厚煤层沿煤层倾向的综放顺序进行优化分析,整体上选用了自上而下C B A的综放顺序,而在倾斜综放面的各个区段如B 和C段内采用了自下而上的放煤顺序,取得了较好的经济技术效益.

(2)低位支架单口放煤时,放煤口中心线两侧的放落体不对称,偏向采空区侧;在支架连续推进过程中,放煤步距分别为0 6,1 2和1 8m时,在采空区造成的煤损形态呈节律性变化;本文中放煤步距为1 2m时,放落体质点的运动速度最大,煤体受阻较小、最易放出.

(3)以顶煤回收率较佳,综合考虑其他因素,得出在大倾角、厚煤层综放开采过程中,采用中挡放煤步距放煤模式(放煤步距为1 2m),能减少频繁移架的次数,节约工时,经济技术效果较好.

参 考 文 献

[1] 尹光志,鲜学福,待高飞,等.大倾角煤层开采岩移基本规

律的研究.岩土工程学报,2001,21(4):450

[2] 王泳嘉,邢纪波.离散单元法及其在岩土力学中的应用.

沈阳:东北工学院出版社,1991

[3] 魏群.散体单元法的基本原理数值方法及程序.北京:科

学出版社,1991

[4] 王树仁,王金安,戴涌.大倾角厚煤层综放开采顶煤运移

规律与破坏机理的离散元分析.北京科技大学学报,2005,

27(1):1

[5] PFC2D(3.0)User s M anual.M innesota:Itasca Consulting

Group Inc,1998

[6] 任凤玉,刘兴国.缓斜煤层综采放顶煤法顶煤放出规律计

算机仿真.煤炭学报,2002,27(4):337

[7] 王家臣,富强.低位综放开采顶煤放出的散体介质流理论

与应用.煤炭学报,1992,17(3):8

(下转第817页)

811

Vol.28No.9王树仁等:大倾角厚煤层综放开采颗粒元分析

Generalized modes and academ ic criterions of water inrush from paleo -sinkholes

YIN Shangx ian 1),W U Qiang 2)

1)Safety Engineeri ng Center,North China Insti tute of S cience and Technology,Beijing 101601,China

2)Faculty of Resources and S afety Engineering,China University of M ining and Technology,Beijing 100083,China

ABSTRAC T According to locational relations betw een a paleo -sinkhole and a w orking face or tunnel,the modes of paleo -sinkhole -caused w ater inrush (hereinafter referred to as w ater inrush from paleo -sinkholes)are div ided into the mode of water inrush from roof/floor and the mode from rib as w ell as four sub -modes,including the thin plate sub -mode of w ater inrush,the shear failure sub -mode,the thick wall cylinder sub -mode and the hydro -fracture sub -mode.The thin plate sub -mode is applicable to the circumstance w here the key layer of cylinder cover is complete and has sm all thickness,and its criterion of w ater inrush is the limit bending moment.The shear failure sub -mode is applicable to the circumstance w here the key layer of cylin -der cover has big thickness,and its criterion of w ater inrush is a quadratic parabola equation.In the thick w all cylinder water inrush mode,the elastic limit pressures that may lead to failure of the thick w all cylin -der are different as the different yield em pirical rules,but all are in direct proportion w ith the streng th of rock stratum.T he hydro -fracture sub -mode of w ater inrush describes the type of w ater inrush that occurs due to the interconnection betw een underground w ater and other inherent structures through hydro -fracture w hen the paleo -sinkhole is far from the working face or tunnel.The critical hy dro -fracture pressure may be calculated by reference to the formula used for calculating hydro -fracture.It is indicated by an actual ex am -ple that the water inrush modes and their criteria are simple and feasible,conform to the realities and have sufficient accuracy.

KEY W ORDS m ining engineering;paleo -sinkhole;w ater inrush mode;thin plate theory ;thick w all cylinder;shear failure;hydro -fracture;academic criterion

(上接第811页)

Particle flow analysis on mechanized top -coal caving in steep thick seam

WAN G Shur en 1,2),WANG Jinan 2),LI U S huhong 3),W U Shunchuan 2),XIE Junw en 2)

1)School of Civi l Engineering and M echanics,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China

2)Civi l and Environmental Engi n eering S chool,U niversity of Science and Technology Beiji ng,Beijing 100083,C hi na 3)Northeastern University at Qinhuangdao,Qinhuangdao 066004,China

ABSTRAC T By using PFC 2D technique,the falling and moving process of top -coal and rock,and the flow -ing characteristics of loose medium in the process of top -coal caving in steep thick seam w ere analyzed for the horizontal and inclining compound working face arrangement of a coal m ine by different recovering dis -tances.The recovery of top -coal and the force characteristics of the powered supports for the top -coal cav ing w orking face by different caving sequences w ere discussed.The results showed that,firstly,the recovery of top -coal w as high and the force characteristic of the powered supports for top -coal caving w as good by adopting the top -to -dow n caving sequence.Secondly,the falling and moving configuration of loose medium w as deflected tow ard the mined direction.Thirdly,the characteristic of lost coal in the process of top -coal caving was present with a particular rhythm.At last,the optim al caving distance w as 1.2m in all the con -ditions.

KEY WORDS steep thick seam;mechanized top -coal cav ing;loose medium;movement character;nu -merical simulation

817 Vol.28No.9尹尚先等:陷落柱概化模式及突水力学判据