基于PFC2D的綜放工作面放煤步距研究

胡 燏

(樂山職業(yè)技術(shù)學院，四川省樂山市，614000)

?

基于PFC2D的綜放工作面放煤步距研究

胡 燏

(樂山職業(yè)技術(shù)學院，四川省樂山市，614000)

為了確定成莊煤礦2200綜放工作面合理的放煤參數(shù)，本文依據(jù)散體介質(zhì)相似理論和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，運用PFC2D(散體顆粒流)數(shù)值模擬軟件的試驗方法，研究不同放煤步距對頂煤移動放出規(guī)律、煤巖流動軌跡以及頂煤的回收率和含矸率的影響。通過模擬得出最優(yōu)的放煤方式，在此基礎(chǔ)上運用PFC軟件模擬分析選擇最佳的放煤步距。結(jié)果表明，2200工作面最優(yōu)放煤方式為兩采一放，最佳的放煤步距為1.6 m。

放頂煤開采 PFC2D 放煤參數(shù)優(yōu)化

在綜放工作面的開采過程中，放煤工藝是重要的環(huán)節(jié)之一，選擇合理的放煤方式和放煤步距是提高工作面產(chǎn)量、提升原煤品質(zhì)和煤層采出率的重要措施。我國煤層賦存狀態(tài)及地質(zhì)情況復雜多樣，不同產(chǎn)區(qū)的頂煤強度、硬度等均有差異，導致頂煤冒放性千差萬別，并且頂煤極易受到放煤方式和放煤歩距的影響，所以在進行放頂煤工作時一定要選擇合理的放煤方式和放煤歩距。根據(jù)煤層實際賦存狀況，通過數(shù)值模擬研究，取得理想的放煤參數(shù)，對實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的高產(chǎn)高效有重要意義。成莊礦是晉煤集團的主力礦井，目前開采山西組3#煤層，采用放頂煤開采方法。

1 PFC模擬軟件簡介

PFC(Particle Flow Code)系列軟件是由ITASCA咨詢集團開發(fā)的顆粒流分析程序，分為PFC2D和PFC3D兩種。它是一種可用于模擬不同形狀、大小的二維圓盤或三維球體集合體的運行及其相互作用的強大顆粒分析程序。除了模擬大體積流動和混合材料力學研究，程序更適合用于固體材料中微觀或者宏觀裂紋擴展、破壞累積并斷裂、破壞沖擊和微震響應等高水平課題的深化研究。PFC軟件的可選模塊有溫度分析模塊、流體分析模塊、并行計算模塊、本構(gòu)自定義模塊。PFC程序的基本原理是圓盤/球狀顆粒系統(tǒng)的運動和相互作用通過時間追趕法進行求解。PFC采用中心差分方法在整個時間領(lǐng)域內(nèi)對顆粒運動方程進行積分運算，并確保解的精度及其穩(wěn)定性，即所謂的動態(tài)求解方法，即便對于準靜態(tài)系統(tǒng)仍然使用該方法進行求解。動態(tài)求解方法的突出優(yōu)勢在于處理物理不穩(wěn)定系統(tǒng)和路徑相關(guān)問題時，不會出現(xiàn)解的不穩(wěn)定性。PFC即顆粒流程序，是通過離散單元方法來模擬圓形顆粒介質(zhì)的運動及其相互作用。

在放頂煤工藝中，可以將頂煤堆積、釋放狀態(tài)當做顆粒破裂、發(fā)展和散體流動的過程，因此可以選擇PFC軟件作為數(shù)值模擬軟件。由于受到礦壓的影響，頂煤在從初始點運移到放煤口的過程中會由完整體變?yōu)樯⒙潴w，在受到支架掩護梁、頂煤破斷線和冒落體堆積邊界等作用情況下，當支架放煤口被打開后，發(fā)現(xiàn)這些散落的煤體會匯聚成一股散體流。綜放開采頂煤冒落形態(tài)如圖1所示，在綜采工作面中，直接頂和頂煤產(chǎn)生破裂，煤塊轉(zhuǎn)變成松散煤巖體，其運動情況可視作散體運動。散體介質(zhì)流實驗模型見圖2，散體頂板和散體頂煤共同構(gòu)成一個復合散體介質(zhì)，支架放煤口充當介質(zhì)運動和顆粒間相互作用的自由邊界角色，處于支架后部和上部的煤巖松散體會以緩慢的速度流向煤口，將頂煤煤流的運動過程(即流動和放出)叫做頂煤散體介質(zhì)流模型。此模型主要用于分析頂煤煤體的運動情況。

圖1 綜放開采頂煤冒落形態(tài)圖

2 放煤步距研究的模型建立

以成莊礦2200工作面為研究模擬對象，分析煤儲層的地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型。煤層厚度約6.6 m，埋深約200 m，采高為2 m，采放比為1∶2.3，模型介質(zhì)由頂板矸石和頂煤兩部分構(gòu)成，將頂煤劃分成上中兩層，設(shè)定煤體容重、法向剛度、切向剛度值分別為14000 kN/m3、2.0×108N/m、2.0×108N/m，矸石的容重、法向剛度、切向剛度值分別為25000 kN/m3、4.0×108N/m、4.0×108N/m，選取放煤口的直徑為700 mm。

根據(jù)該煤層的實際賦存情況，建立初始模型，如圖3所示。

圖2 散體介質(zhì)流實驗模型

圖3 初始模型示意圖

模擬采用3種方法對煤層模型進行放煤，即當放煤歩距為0.8 m時，采用一采一放；當放煤歩距為1.6 m時，采用兩采一放；當放煤歩距為2.4 m 時，采用三采一放。

3 放煤步距研究模擬的過程分析

在描述煤體運動過程時，會涉及到煤矸流動情況和煤巖分界線。煤體運移過程中，支架不斷向前移動，導致原來的支架放煤口和煤巖位置產(chǎn)生相對位移。支架改變位置后，其斜后方和上方的煤體因喪失支架的支撐力會向前下方運移，占據(jù)了原來支架所在位置和空間，致使放煤邊界線改變。放煤的初始邊界線是指支架經(jīng)過位移后，原有前部煤巖的分界線會成為下次放煤的邊界線。放煤的過程就是放煤初始邊界線不斷改變更替的過程，直到工作結(jié)束時，將最后的放煤界線叫做放煤停止邊界線。改變支架位置，再重復上述工作。放煤量是放煤初始邊界線至停止邊界線內(nèi)的煤的總量。在放煤的過程中，因為頂煤運動情況的不確定性和放煤歩距大小等因素的影響，其中部分頂煤無法放出，形成了步距損失。

在開采實體煤層時，由于前方煤層質(zhì)地均勻，地質(zhì)條件穩(wěn)定，放煤歩距的改變基本不會影響到頂煤的運移。未受人工影響的煤區(qū)稱為原始煤區(qū)；支架上方出現(xiàn)的冒落區(qū)稱為散體冒落區(qū)；因煤體的運移及煤巷的破壞出現(xiàn)拉斷破壞區(qū)、剪切破壞區(qū)和壓縮變形區(qū)。頂煤在散體冒落區(qū)運動量最大，出現(xiàn)明顯的位移，主要呈垂直方向移動。

一采一放推進到第5刀時，頂煤運移圖見圖4。對于一采一放的開采工作，放煤口的水平投影長度大于放煤歩距，頂部煤體超過預定時間提前移動到放煤口，當移動至一半高度時，煤體流動速度放緩，中間位置的頂部煤層從放煤口中迅速流出，對于后面的矸石運移速度要比上部矸石向下運動的速度快，所以后面的矸石率先移動到放煤口，在放煤工作初始時放煤口有矸石的出現(xiàn)，但并不影響放煤工作的繼續(xù)，一旦后部大量矸石和煤體運移到放煤口并將其堵塞時，需馬上停止放煤工作。

兩采一放推進到第5刀時，頂煤運移圖見圖5。對于兩采一放的開采工作，放煤口的水平投影長度略小于放煤歩距，煤矸運移速度緩慢，放煤口的煤體和支架上的頂煤幾乎在同一時間移動到了放煤口。

三采一放推進到第5刀時，頂煤運移圖見圖6。對于三采一放的開采工作，放煤口的水平投影長度小于放煤歩距，每次放煤口放出的煤總量相對較大，放煤的初始邊界更傾向于采空區(qū)，整體跨度范圍廣。處在位置靠后的煤層下面是質(zhì)地堅硬的矸石和底板，導致此位置的煤體流動不便，速度較慢。對于距離放煤口較近的下方頂煤，由于受到自身的重力和后部矸石向前推移的推力，頂煤會不斷向放煤口移近直至放煤口。由于在運移過程中后部矸石會頂替原有頂煤所在位置，此時會形成一個不易放煤的三角煤區(qū)。與中部煤層和位于放煤口上部的煤層相比，后者的煤體流動速度更快，流動空間更寬廣，最先到達放煤口，對于提前流動的頂部煤層區(qū)域，總流出量較少，在中部區(qū)域的上部矸石會向下凹，呈現(xiàn)一個凹面。當頂煤不斷流出時，處在中部位置的頂煤會被上部矸石代替，直至流動到放煤口。煤體的這一運動會導致兩側(cè)煤體無法正常放出，中部矸石阻礙了放煤工作的進行，此時只能暫停工作，避免造成更大的經(jīng)濟損失。

圖5 兩采一放頂煤運移圖

圖6 三采一放頂煤運移圖

4 放煤步距模擬的結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬分析結(jié)果可知，研究開始位置到工作面推進11 m時的這段距離就可以得出不同的放煤方式產(chǎn)生的最終效果。

在采用不同的放煤方式開采實體煤時，改變放煤歩距時，頂煤的總位移距離都是9.6 m，一采一放的放煤步數(shù)為12次，兩采一放的放煤步數(shù)為6次，三采一放的放煤步數(shù)為4次，共動用41.86 t頂煤儲量，3種放煤方式放煤效果如圖7所示。

在采用一采一放方式進行開采工作時，設(shè)定的放煤歩距為0.8 m，放煤口的水平投影長度大于放煤歩距，當在放煤口出現(xiàn)矸石后繼續(xù)放煤工作，直至放煤口位置的煤體總量為矸石總量的兩倍時需馬上停止工作，盡力保證將頂煤的損失降到最低，總的放煤量達到37.18 t，含矸率相對較高，為25%～45%，頂煤的放出率達到88.8%。若要保證放煤率越高，則采出的煤炭中含矸率越高，煤體質(zhì)量越差。若要保證放出煤的質(zhì)量，則煤體的總放出量則降低。

圖7 3種放煤方式放煤效果對比

在采用兩采一放方式進行開采工作時，設(shè)定的放煤歩距是1.6 m，放煤口的水平投影長度小于放煤歩距，總的放煤量達到35.97 t，含矸率為13%，頂煤的放出率達到85.9%。與一采一放的開采方式相比，頂煤放出總量有所降低，但煤體質(zhì)量大大提高。此方式可保證煤體放出量和含矸率的最大優(yōu)化。

在采用三采一放進行開采工作時，設(shè)定放煤歩距是2.4 m，放煤口的水平投影長度小于放煤歩距，總的放煤量達到31.61 t，含矸率達17%左右，頂煤的放出率達到78%。與兩采一放的開采方式相比，煤體的放出量大大降低，放出煤體的質(zhì)量也變差。若要保證產(chǎn)量同一采一放方式的煤產(chǎn)量相同時，煤體含矸率則不達標；若要保證煤體質(zhì)量同兩采一放方式的煤質(zhì)相同時，則煤的放出總量會明顯減少。

綜上所述，在開采實體煤的過程中，要權(quán)衡煤體含矸率和放出率兩個方面，確定合理的放煤歩距，保證收益最大化，分析3種開采方式和采出結(jié)果可知采用兩采一放的方式最合理。

5 結(jié)論

綜合分析3種采煤方式可知，兩采一放的采煤方式的煤體放出量和煤質(zhì)都相對理想。結(jié)合2200工作面煤層的實際情況，最合適的采煤方式為兩采一放，設(shè)置放煤歩距為1.6 m。本文針對該工作面的煤層賦存狀況提出了合理的放煤參數(shù)，實現(xiàn)了工作面生產(chǎn)的高產(chǎn)高效，同時為類似地質(zhì)條件工作面放煤步距的選擇提供了一定借鑒。

[1] 胡明鑒,汪稔,陳中學等. 泥石流啟動過程PFC數(shù)值模擬[J]. 巖土力學，2010(S1)

[2] 周健,池永,池毓蔚等. 顆粒流方法及PFC2D程序[J]. 巖土力學,2000(3)

[3] 武曉敏.綜放工作面頂煤運移及煤矸界面演化規(guī)律研究[J]. 中國煤炭,2015(2)

[4] 張保,呂偉偉,成辰欣等.含硬煤頂煤綜放開采提高回采率措施研究[J]. 中國煤炭,2013(7)

[5] 劉寶珠,馬亞杰,章之燕.特厚煤層放頂煤開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J]. 中國煤炭,2012(4)

[6] 解興智，趙鐵林．淺埋堅硬特厚煤層綜放開采頂煤冒放結(jié)構(gòu)分析[J]．煤炭學報，2016(2)

[7] 劉勝志.綜放工作面開采工藝參數(shù)對頂煤冒放性的影響研究[J].中國煤炭,2010(10)

[8] 王家臣，張錦旺．綜放開采頂煤放出規(guī)律的BBR研究[J]．煤炭學報，2015(3)

[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].科學技術(shù)與工程，2011 (21)

[10] 張勇，司艷龍，石亮.塊度對頂煤放出率影響的數(shù)值模擬分析[J].采礦與安全工程學報，2011 (2)

[11] 趙鐵林．淺埋堅硬特厚煤層頂煤冒放性及其改善研究[D]．煤炭科學研究總院，2015

(責任編輯 郭東芝)

Research on coal caving step distance at fully mechanized caving face based on PFC2D

Hu Yu

(Leshan Vocational & Technical College, Leshan, Sichuan 614000, China)

In order to determine the reasonable coal caving parameters in 2200 fully mechanized caving face in Chengzhuang Coal Mine, based on granular media theory and field data, the author studied the influence of coal caving step distance on top coal caving rules, coal-rock flow track, top coal recovery and refuse content by using PFC2D (granular particle flow) test method. By numerical simulation, the optimal caving way was achieved as "mining twice and caving once", and based on which the best caving step distance was determined as 1.6 m.

top coal caving mining, PFC2D software, coal caving parameters optimization

國家科技支撐計劃課題( 2012BAB13B02)

胡燏. 基于PFC2D的綜放工作面放煤步距研究[J].中國煤炭，2017,43(3)：70-73. Hu Yu. Research on coal caving step distance at fully mechanized caving face based on PFC2D[J]. China Coal, 2017,43(3):70-73.

TD823.2

A

胡燏 (1978-)，男，重慶忠縣人，碩士研究生，副教授，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。