大傾角煤層飛矸運移能量演化特征仿真與實驗研究

伍永平，胡博勝，王紅偉，劉孔智

0 引言

大傾角煤層在我國分布廣泛，經過近20年發(fā)展，華鎣山綠水洞煤礦、華亭東峽煤礦、靖遠王家山煤礦、新疆焦煤集團2130煤礦等23個礦井［1－4］成功地進行了大傾角煤層綜合機械化開采，在基礎理論、關鍵技術和配套裝備等方面取得突破性成果。但是，煤層傾角影響下，煤(巖)體運動、頂?shù)装宸€(wěn)定性及安全防護等問題具有特殊性［4－5］，尤其是由大傾角煤層工作面落煤、煤壁片幫、頂板漏冒或底板滑移等產生并在回采空間內滑滾、飛濺的煤(巖)塊對作業(yè)人員和設備形成傷(損)的動力災害(飛矸)頻繁發(fā)生。

飛矸災害嚴重制約大傾角煤層安全高效開采，現(xiàn)有文獻對飛矸做過簡單探討:其中，文獻［6－7］對擋矸設備進行了設計，一定程度上解決了工作面?zhèn)藛栴}。文獻［8－9］對一般采高煤壁片幫引起的飛矸進行了研究，探討了煤壁誘發(fā)飛矸災害機理及相關防治措施。文獻［10］對架間漏矸引起的飛矸災害進行過一些討論，自行研制了防矸裝置?？傮w而言，目前文獻針對飛矸災害研究側重于防護措施與防護設備研究，運移過程能量演化特征尚未進行討論，而且評價飛矸傷損程度僅是停留在定性層面。文中以新疆焦煤集團2130煤礦大傾角大采高工作面為例，采用理論分析、數(shù)值模擬和物理模擬方法對飛矸災害進行研究。

1 工程背景

新疆焦煤集團2130煤礦25221工作面主采5#煤層，平均厚度5．77 m，平均傾角45°，煤體普氏系數(shù)0．3～0．5．直接頂由含礫粗砂巖、中砂巖等組成，厚度2．32 m;基本頂由石英、中砂巖等組成，厚度16．59 m;底板為粉砂巖、粗砂巖為主，厚度17.06 m．采用綜合機械化大采高采煤方法開采，采高3．5 ～4．5 m，工作面傾斜長度105 m，ZZ6500/22/48型支撐掩護式支架支護。

工作面在開采過程中，由于采高大，支架－圍巖關系復雜，支架支撐力無法完全發(fā)揮對頂板和煤壁的控制作用，煤壁易發(fā)生片幫，并且呈現(xiàn)出范圍大，蔓延及滑冒等特性，片幫程度比一般大傾角工作面嚴重［11－12］。煤壁片幫是大傾角大采高工作面飛矸災害主要物質來源(圖1)，同時，由于煤層傾角大于煤體自然安息角，片落煤體與底板第一次碰撞后難以進入靜止狀態(tài)，將沿工作面滑移(滾)或飛濺形成飛矸。

圖1 飛矸物質來源Fig．1 Material source of flying gangue

2 飛矸運動特征計算機仿真

2.1 仿真軟件介紹

3DEC是一款以離散單元法為基礎的三維離散元應用軟件，允許離散塊體發(fā)生大位移和轉動，甚至完全脫離，且在計算過程中自動識別新的接觸面以保證計算進行。根據25221工作面煤巖物理力學特征和開采條件，采用3DEC計算軟件建立模型(圖2)。塊體設置為剛體(rigid block)，力學參數(shù)取實驗煤巖體力學參數(shù)的1/20～1/2［13］，結構面剛度選取相應塊體剛度的1/10～9/10［14］。模型尺寸長×寬×高=120 m×60 m×140 m，工作面?zhèn)胃┬辈贾谩?DEC可以對節(jié)點位移進行記錄，其中，飛矸形成位置為坐標原點，走向以工作面推進方向為正，傾向以傾斜向上為正。

2.2 運移仿真過程

圖2 數(shù)值計算模型Fig．2 Numerical calculation model

不同傾角下飛矸走向及傾向時間－位移曲線，如圖3所示。圖3(a)反映煤壁片幫至第1次碰撞底板時，走向位移為－0．98 m，傾向位移為正向最大。這一過程飛矸在重力作用下速度不斷增加，碰撞時受底板反作用，運動方向改變，傾向位移由正向最大開始減小。飛濺離開底板至最高位置克服重力速度減小，下落階段速度增大。接著與底板發(fā)生第2次碰撞，沒有再次飛濺，沿工作面滑滾2．2 m停止。飛矸整個過程距偽斜面平均距離0．2 m，沿傾向運動10．2 m距離，運動整體沿采煤機機道進行。

圖3(b)傾角45°煤層飛矸位移曲線表明飛矸第1次碰撞底板傾向位移負向增加，速度減小，從距底板最高位置時下落，加速與底板發(fā)生第2次碰撞。第2次飛濺與第1次相同。整個運動過程飛矸最大走向距離為8．7 m，傾向距離23．7 m，走向距偽斜工作面平均距離0．2 m，運動沿機道進行。

圖3(c)表明傾角55°飛矸第1次碰撞底板前速度增加，碰撞時受底板反作用狀態(tài)改變，沿工作面傾斜向下運動距離增加，速度減小。前5次碰撞，速度發(fā)生變化，運移距離總體增加。飛矸第6次與底板碰撞再次飛濺，此時，飛矸運動至工作面下端頭位置，由于工作面長度限制，與下端頭設備碰撞速度急劇減小為0．運動過程飛矸最大走向運動距離為21．2 m，距偽斜面平均距離0．79 m，飛矸進入人行通道運動。

圖3 不同傾角條件下飛矸位移特征Fig．3 Displacement of flying gangue under different dip angles

隨著傾角增加，飛矸傾向上與底板發(fā)生碰撞次數(shù)及傾向運動距離增加(表1);走向上在煤壁與支架尾梁組成的空間內運動，飛矸進入支架通道幾率增加。煤層傾角加大，重力做功增加，底板摩擦作用減弱，與底板碰撞過程能量消耗比例減少，飛矸動能增加，其傷損程度隨之提高。

表1 不同傾角條件下飛矸運動參數(shù)Tab．1 Movement parameters of flying gangue under different dip angles

3 能量演化特征

3.1 不同運移階段能量特征

煤壁片幫衍生的飛矸災害運動過程分為2個階段，一是工作面煤壁片幫塊煤下落并與工作面底板發(fā)生第一次碰撞，稱為一次碰撞階段;二是塊煤一次碰撞后，沿工作面傾斜方向發(fā)生間歇性碰撞、滑移(不考慮自轉)，稱為傾向碰撞滑移階段。

一般情況下物體動能經撞擊后主要轉化為以下幾種能量:破碎塊體的動能，塊體內部裂隙形成、擴展及新表面所需的耗散能，變形能等［16－17］。一次碰撞階段煤壁在工作面割煤、移架推溜等工序產生擾動力及自身重力作用下形成具有初始動能的塊煤，向底板方向運動并發(fā)生碰撞。能量變化如下

式中 α為煤層傾角，(°);m為片幫煤體質量，kg，假設碰撞過程質量不變;Δh為片幫煤體質心位置距底板垂高，m;E0為受擾動塊煤獲得的動能，kJ;Es1，Ee1分為第一次碰撞底板過程耗散能、變形能，kJ;E1為第一階段末動能(第二階段初動能)，kJ．

E1=0時，飛矸動能碰撞底板過程全部轉化為其它形式能量，碰撞后不發(fā)生飛濺。在下滑力作用下塊煤沿工作面傾斜方向滑移，底板摩擦及靜止煤矸、設備阻擋使飛矸停止運動(圖4(a))，此種運動方式為一次碰撞滑移方式。傾向滑移階段能量變化如下

式中:μ為摩擦系數(shù)(μ＜tanα);S為滑移距離;Eh為傾向滑移階段產生熱能;E2為飛矸滑移至任意位置具有動能。

圖4 飛矸運移方式Fig．4 Motion mode of flying gangue

E1＞0，飛矸與底板碰撞受反作用力發(fā)生飛濺，進入沿工作面傾向間歇碰撞、滑移階段。假設第i次碰撞，傾向飛濺距離為Li，耗散能、變形能分別為 Esi，Eei，Evi為第 i次碰撞底板后動能(i≥2)。

此階段，經歷n次碰撞，飛矸運動至工作面下端頭時，動能仍然很大，即Evi=0，將與下端頭設備進行碰撞，在下端頭設備抑制作用下飛矸運動快速停止，運動方式為圖4(b)，此種運動方式稱為多次間歇碰撞方式。飛矸這種運動方式對端頭設備損害大，能量過程見式(3)。

若飛矸經歷n次碰撞后Evi=0，不會再次飛濺，開始沿工作面進一步滾滑，在煤矸、設備等阻擋下運動停止，運動方式為圖4(c)，這種運動方式稱為多次間歇碰撞滑移方式。多次間歇碰撞過程能量變化如公式(3)，滑移過程能量過程如式(4)

飛矸滑移至任意位置E2數(shù)值越大，對工作面作業(yè)人員和設備碰撞造成損害程度越大。

3.2 運移距離定量計算

3．2．1 一次碰撞滑移方式

式(1)、式(2)所示碰撞后飛矸不發(fā)生飛濺，進入傾向滑移階段。此階段飛矸在自重作用下沿底板滑移，重力做功轉化為飛矸動能及摩擦熱。飛矸滑移S距離后停止，S見式(5)。

3．2．2 多次間歇碰撞方式

飛矸做多次間歇碰撞運動時，一次碰撞前能量積累轉化特征與一次碰撞滑移方式相同。不同在于一次碰撞中動能轉化為耗散功比例小，碰撞后發(fā)生多次飛濺、下落，多次碰撞中能量有消耗，但運動至下端頭位置時仍具有大量動能E2．下端頭阻擋使飛矸停止運動，動能全部轉化為變形能等，飛濺距離見式(6)，其中Li見式(7)。

3．2．3 多次間歇碰撞滑移方式

此種方式下飛矸在擾動力及重力做功下動能積累，經歷多次與底板碰撞動能全部轉化為消耗功。其中，飛濺距離L，見式(6)。不再發(fā)生彈起時飛矸仍處于工作面某位置，滑移距離S(式(5))距離后飛矸動能全部轉化為摩擦熱停止運動，飛矸運動總距離D見式(8)。

4 算例

25221工作面轉載機受來自距上端頭35．4 m處煤壁片幫形成的飛矸撞擊，部件受損嚴重。在實驗室對這次事故進行模擬(圖5)，通過多部高速攝像機和壓力傳感裝置，獲得飛矸運動軌跡及對底板和轉載機沖擊能。飛矸做多次間歇碰撞滑移運動，與底板發(fā)生5次碰撞。其中，E0為0．071 kJ;m 為 27 kg;Δh 為 4．3 m;g 取 10 N/kg，E2為 2．49 kJ;Eh為 3．53 kJ;飛濺距離 L 為 6．09 m，S 為 62．6 m，D 為68．69 m．

圖5 監(jiān)測儀器及試驗整體布局Fig．5 Monitoring instruments and layout of laboratory

將上述數(shù)據代入公式(5)～(8)，通過理論計算得出 L=6．55 m，S=61．7 m，D=68．25 m．與實測值得出飛濺距離L，S數(shù)值吻合，可知理論分析得出的計算公式對工程實踐具有很好的指導意義。

5 結論

1)大傾角大采高長壁工作面開采過程中，傾角增加，飛矸沿工作面傾向運動距離及飛濺次數(shù)增大，沿走向進入液壓支架運動幾率加大;對工作面作業(yè)人員和設備形成傷(損)害程度提高。偽斜布置可以適當減輕工作面飛矸傷損程度;

2)飛矸運動過程分為一次碰撞階段與傾向碰撞滑移階段，據此可將飛矸運動方式分為一次碰撞滑移方式，多次間歇碰撞方式及多次間歇碰撞滑移方式3種;

3)飛矸運動過程能量特征如下:飛矸受工作面割煤、移架推溜等產生擾動力以及重力做功能量不斷積累，與底板碰撞能量消耗于熱能、變形能、煤體內部裂隙形成、擴展及新表面產生的耗散能等，宏觀上體現(xiàn)在飛矸速度、位移變化。動能完全耗散時，飛矸停止運動;

4)對工作面損物傷人事件進行物理模擬，飛矸距離理論值與實測值相吻合。

［1］ 伍永平，劉孔智，贠東風，等．大傾角煤層安全高效開采技術研究進展［J］．煤炭學報，2014，39(8):1611－1618．WU Yong-ping，LIU Kong-zhi，YUN Dong-feng，et al．Research progress on the safe and efficient mining technology of steeply dipping seam［J］．Journal of China Coal Society，2014，39(8):1611 －1618．

［2］ 劉 斌，伍永平，贠東風，等．大傾角特厚易燃煤層群綜放開采技術研究［R］．蘭州:華亭煤業(yè)集團公司東峽煤礦，西安:西安科技大學，2006．LIU Bin，WU Yong-ping，YUN Dong-feng，et al．Technology of longwall top coal caving along the strike in steeply dipping thick and inflammable coal seams［R］．Lanzhou:Huating Coal Group，Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2006．

［3］ 李方立，伍永平，陳建杰，等．大傾角煤層走向長壁大采高綜采技術研究［R］．烏魯木齊:新疆焦煤集團，西安:西安科技大學，2013．LI Fang-li，WU Yong-ping，CHEN Jian-jie，et al．Research on fully mechanized technology by using large mining height method along longwall mining face in steepy dipping seam［R］．Urumqi:Xinjiang Tar Coal Group Co．Ltd．，Xi’an:Xi’an University of Science and Technology，2013．

［4］ Wang H W，Wu Y P，Xie P S．Study on movement of surrounding rock and instability mechanism of rock mass structure in steeply dipping seam mining［C］//The 3rdISRM International Young Scholars’Symposium on Rock Mechanics，2014(8 －10):205 －210．

［5］ 伍永平，贠東風，周邦遠．大傾角煤層綜采基本問題研究［J］．煤炭學報，2000，25(5):465 －468．WU Yong-ping，YUN Dong-feng，ZHOU Bang-yuan．Study on the elementary problems of full-mechanized coal mining in greater pitching seam［J］．Journal of China Coal Society，2000，25(5):465 －468．

［6］ 曹樹剛，李 毅，雷才國，等．采煤工作面輕型架間擋矸裝置研究［J］．采礦與安全工程學報，2013，30(1):51－56．CAO Shu-gang，LI Yi，LEI Cai-guo，et al．Research on lightweight device for blocking gangue between hydraulic supports in steeply inclined coal face［J］．Journal of Mining and Safety Engineering，2013，30(1):51 －56．

［7］ 黃國春，伍永平，廖由俊，等．大傾角煤層擋矸防護裝置［P］．中國，200920140119．3．2010 －02 －10．HUANG Guo-chun，WU Yong-ping，LIAO You-jun，et al．The device for protecting flying gangue in steeply dipping coal seam［P］．China，200920140119．3．2010－02－10．

［8］ 呂文勝，李松強．大傾角綜采工作面煤壁片幫原因分析［C］//第六屆天山地質礦產資源學術討論會論文集．烏魯木齊:中國地質學會，2008:926－929．LV Wen-sheng，LI Song-qiang．Reasons analysis of coal wall spalling with fully-mechanized mining in steeply dipping coal seam［C］//The Sixth Tianshan Geological Mineral Resources Symposium Proceedings．Urumqi:China Geological Society，2008:926 －929．

［9］ 石汝銀，李增峰，管偉明．大傾角工作面防飛矸技術措施［J］．山西焦煤科技，2009(1):4－6．SHI Ru-yin，LI Zeng-feng，GUAN Wei-ming．The measures to prevent flying gangue at large dip angle mining face［J］．Shanxi Coking Coal Science and Technology，2009(1):4－6．

［10］李俊斌，單付豐，何海榮，等．淮南礦區(qū)急傾斜厚煤層綜合機械化開采技術［J］．煤炭科學技術，2013，41(11):39－46．LI Jun-bin，SHAN Fu-feng，HE Hai-rong，et al．Fullymechanized coal mining technology of steep thick seam in Huainan mining area［J］．Coal Science and Technology，2013，41(11):39 －46．

［11］解盤石，伍永平．大傾角煤層長壁大采高開采煤壁片幫機理及防控技術［J］．煤炭工程，2015，47(1):74－77．XIE pan-shi，WU Yong-ping．Mechanism and control methods of rid spalling in steeply dipping thick seams in fully-mechanized longwall mining with large mining height［J］．Coal Engineering，2015，47(1):74 －77．

［12］解盤石，伍永平，王紅偉，等．大傾角煤層大采高綜采圍巖運移與支架相互作用規(guī)律［J］．采礦與安全工程學報，2015，32(1):14 －19．XIE Pan-shi，WU Yong-ping，WANG Hong-wei，et al．Interaction characteristics between strata movement and support system around large mining height fully-mechanized face in steeply inclined seam［J］．Journal of Mining and Safety Engineering，2015，32(1):14 －19．

［13］潘俊鋒，齊慶新，毛德兵，等．沖擊性頂板運動及其應力演化特征的3DEC模擬研究［J］．巖石力學與工程學報，2007，26(增1):3546 －3552．PAN Jun-feng，QI Qing-xin，MAO De-bing，et al．Study on movement and stress evolutionary process of impacted roof with 3DEC［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(S1):3546 －3552．

［14］李化敏，劉 闖，蔣東杰．綜采工作面采高與液壓支架支護阻力關系的數(shù)值開采試驗研究［C］//34屆國際采礦巖層控制會議，2015:10－25．LI Hua-min，LIU Chuang，JIANG Dong-jie．A numerical study on the relationship between mining height and shield resistance in longwall panel［C］//Proceedings of 34thInternational Conference on Ground Control in Mining，2015:10 －25．

［15］常聚才，謝廣祥，張學會．特厚煤層大采高綜放工作面煤壁片幫機制分析［J］．巖土力學，2015，36(3):803－808．CHANG Ju-cai，XIE Guang-xiang，ZHANG Xue-hui．A-nalysis of rib spalling mechanism of fully-mechanized top-coal caving face with great mining height in extrathick coal seams［J］．Rock and Soil Mechanics，2015，36(3):803－808．

［16］余 為，繆協(xié)興，矛獻彪．巖石撞擊過程中的升溫機理分析［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(9):1535－1538．YU Wei，MIAO Xie-xing，MAO Xian-biao．Analysis of the heating-up mechanism in the course of the rock ram［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(9):1535 －1538．

［17］趙毅鑫，龔 爽，黃亞瓊．沖擊載荷下煤樣動態(tài)拉伸劈裂能量耗散特征實驗［J］．煤炭學報，2015，40(10):2320－2326．ZHAOYi-xin，GONG Shuang，HUANGYa-qiong．Experimental study on energy dissipation characteristics of coal samples under impact loading［J］．Journal of China Coal Society，2015，40(10):2320 －2326．