基于PFC的放頂煤放煤機(jī)理數(shù)值模擬

尹建輝,徐文全,耿耀強(qiáng)

(1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710065;2.渭南陜煤?jiǎn)⒊娇萍加邢薰?陜西 渭南 714000;3.煤炭綠色安全高效開(kāi)采國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,陜西 西安 710065)

0 引言

綜放開(kāi)采技術(shù)自1986年引入我國(guó)以來(lái),在各大礦區(qū)進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用,目前已成為我國(guó)厚煤層開(kāi)采的主要方法之一。陳輝[1]對(duì)比研究了我國(guó)放頂煤的幾種模式,主要針對(duì)放煤步距、采放比、回收率、放煤方式進(jìn)行了理論分析。王家臣等[2-3]將綜放開(kāi)采頂煤放出的煤巖分界面、頂煤放出體、頂煤采出率與含矸率統(tǒng)一進(jìn)行研究,建立頂煤放出規(guī)律的BBR研究體系。于斌、白慶升等[4-5]研究了頂煤成拱機(jī)理,提出了“面接觸塊體拱”模型,得到了拱的軸線(xiàn)形式為拋物線(xiàn),給出了影響放煤效率的高跨比參數(shù),并對(duì)高跨比參數(shù)中的角度和摩擦因數(shù)影響進(jìn)行了分析。張守詳?shù)萚6]引入放煤過(guò)程全方位監(jiān)控技術(shù)和裝備,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)放煤前、放煤中和放煤后的頂煤層靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變化情況,精確控制放煤過(guò)程,做到隨放隨探,才能保證回采率和煤質(zhì)的最優(yōu)平衡,于海勇、杜龍飛等[7-8]基于離散元數(shù)值模擬方法,反演出放出體形成過(guò)程及放出體形態(tài),得到了放出體發(fā)育是由放煤口向煤矸分界面呈近似環(huán)狀的發(fā)育過(guò)程。黃炳香、許力峰等[9-10]采用理論和散體模型實(shí)驗(yàn)分析了大采高綜放開(kāi)采放煤口參數(shù)、采放比、放煤工序和放煤步距對(duì)煤矸流場(chǎng)的影響。為此,基于PFC離散元模擬程序,從頂煤運(yùn)動(dòng)特征角度出發(fā),研究動(dòng)態(tài)多層位拱結(jié)構(gòu)和橢球體的發(fā)育過(guò)程及機(jī)理,以期為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提供一定的理論指導(dǎo)。

1 放煤步距數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模擬方案

以某煤礦綜采工作面地質(zhì)資料為研究背景,該工作面位于井田中北部第三采區(qū),屬3號(hào)煤層,工作面上部2號(hào)、下部11號(hào)煤層均未開(kāi)采。工作面沿煤層傾向布置,兩巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度923 m,切眼寬度155 m,綜采放頂煤回采工藝施工。工作面煤層一般煤厚5.8～6.5 m,平均煤厚6.1 m,硬度系數(shù)0.3～0.5,屬于極軟煤體,內(nèi)生裂隙發(fā)育,裂隙面較純凈。煤層直接頂：泥巖,黑灰色,泥質(zhì)膠結(jié),系數(shù)5.2×7.0,厚度在2.0～2.8 m。老頂：粗粒砂巖,厚度在3.2～5.5 m。偽頂：泥巖,灰黑色,厚度在0～0.2 m。

主要研究放煤步距對(duì)放煤效果的影響,選取3種不同放煤步距進(jìn)行模擬。方案1：模擬支架往沿走向,向前挪動(dòng)0.6 m,打開(kāi)放煤口,即放煤步距為0.6 m;方案2：模擬支架往沿走向,向前挪動(dòng)1.2 m,打開(kāi)放煤口,即放煤步距為1.2 m;方案3：模擬支架往沿走向,向前挪動(dòng)1.8 m,打開(kāi)放煤口,即放煤步距為1.8 m。

1.2 模擬方案設(shè)計(jì)

模型上表面距地表400 m,故在設(shè)置模擬初始條件時(shí),對(duì)上部施加覆巖等效載荷10 MPa。顆粒初始速度為0,只受重力作用(g=10 m/s2),墻體速度與加速度為0。邊界條件設(shè)置時(shí),顆粒四周以及底部墻體作為模型的外邊界,其速度和加速度固定為0。應(yīng)用其墻單元來(lái)模擬工作面支架,支架沿著走向方向推進(jìn),放煤時(shí)打開(kāi)放煤口放煤,放完煤關(guān)閉放煤口支架往前移動(dòng)。如此循環(huán)放煤,直至工作面開(kāi)采完畢。整個(gè)放煤過(guò)程結(jié)束后,統(tǒng)計(jì)頂煤的放出率和含矸率。

1.3 放煤結(jié)果

圖1為最終的放煤形態(tài)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)放出率以及含矸率和放煤次數(shù)可知,放煤步距實(shí)驗(yàn)的大小將影響頂煤的煤炭采出率及混矸率。

圖1 不同放煤步距下最終放煤形態(tài)(灰色代表矸石,黑色代表煤,矸石上方為上覆巖層)Fig.1 Final coal caving shape under different coal caving steps

從圖1可以得出,在3種放煤步距條件下,頂煤是不可能完全放出的,總會(huì)遺留一些煤在采空區(qū)后方。與此同時(shí),放出煤體中也不可避免地混有矸石,表1、圖3展示了不同放煤步距下,放煤步距和放煤次數(shù)、放出率、含矸率之間的關(guān)系。

由表1可見(jiàn)不同放煤步距條件下的頂煤放出效果。一采一放,即放煤步距為0.6 m時(shí),頂煤回收率為83%,含矸率為12%,放煤口后方的矸石極容易竄入放煤口,造成含矸率升高,頂煤回收次數(shù)增多,造成工作面推進(jìn)速度緩慢(根據(jù)模型運(yùn)行完時(shí)間推算)。兩采一放,即放煤步距為1.2 m時(shí),采兩刀煤放煤一次,頂煤平均回收率86%,相較于放煤步距0.6 m時(shí)提高,同時(shí)放煤含矸率也有了良好的改善,降低為6%,工作面放煤推進(jìn)速度相對(duì)于一采一放的放煤方式速度加快。三采一放,即放煤步距為1.8 m時(shí),因?yàn)橐萍懿骄噙^(guò)大,造成一部分頂煤放到采空區(qū),因此放煤時(shí)頂煤難以徹底回收完放煤口便關(guān)閉,造成頂煤回收率偏低。

表1 不同放煤步距放煤結(jié)果

綜上分析,當(dāng)放煤步距過(guò)小時(shí),后部采空區(qū)的矸石將先于上部頂煤到達(dá)放煤口,若見(jiàn)矸石即關(guān)閉放煤口,則有部分頂煤留在采空區(qū)造成頂煤損失。放煤步距過(guò)大時(shí),臨近支架上部的矸石先于后部煤到達(dá)放煤口,采空區(qū)方向的一部分煤滯留在了里邊,形成“脊背”煤損失[11-12]。頂煤回收率、含矸率、工作面回采效率,三者之間具有互相影響制約的關(guān)系。因此,確定合理放煤步距對(duì)于工作面高產(chǎn)高效具有十分重要意義。

2 放煤機(jī)理分析

2.1 放煤動(dòng)態(tài)多層位拱結(jié)構(gòu)發(fā)育過(guò)程

在放煤步距模擬試驗(yàn)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)頂煤放出過(guò)程中時(shí)常堵塞放煤口,嚴(yán)重影響頂煤快速放出。圖2為頂煤橢球體發(fā)育過(guò)程?？梢钥闯?隨著放煤口打開(kāi),放煤口中部的頂煤顆粒最先放出,垂直位移最大。支架尾梁上方和低位頂煤顆粒位移最小,表明放煤口兩邊的煤體緩慢放出。此外,頂煤顆粒易形成一個(gè)拱形結(jié)構(gòu),拱的前拱腳作用于支架尾梁上,后拱腳作用于后方低位煤體(矸石)中,而且在不同層位中均有拱結(jié)構(gòu)形成。處于拱頂?shù)捻斆侯w?？偸鞘紫缺环懦?拱頂高度不斷地向上發(fā)育,處于兩拱腳處的頂煤總是被緩慢放出。各層位的拱結(jié)構(gòu)不斷的形成、破壞、再形成,最終放出,因此頂煤放出過(guò)程可以看成一個(gè)多層位組合拱的動(dòng)態(tài)形成、破壞過(guò)程,最終形成一個(gè)橢球體放出體結(jié)構(gòu)。通過(guò)測(cè)量,最終見(jiàn)矸關(guān)閉放煤口時(shí),橢球體發(fā)育寬度約1～1.3 m,發(fā)育高度最高約3.5 m。

圖2 頂煤橢球體發(fā)育過(guò)程Fig.2 Development process of ellipsoid in top coal

2.2 動(dòng)態(tài)多層位拱運(yùn)動(dòng)特征

分別選取拱頂頂煤顆粒編號(hào)838、左側(cè)拱腳頂煤顆粒編號(hào)826、右側(cè)支架尾梁上方頂煤顆粒編號(hào)246監(jiān)測(cè)其運(yùn)移速度,用以揭示不同位置的頂煤顆粒在放煤過(guò)程中的運(yùn)移速度特征,如圖3所示。

圖3 不同位置頂煤運(yùn)送速度Fig.3 Top coal transportation speed at different positions

可以看出,頂煤運(yùn)移速度并非均勻,而是有著較大的波動(dòng),時(shí)而運(yùn)動(dòng)時(shí)而停止,這主要是由于頂煤運(yùn)動(dòng)受阻,頂煤堆積形成拱結(jié)構(gòu),拱結(jié)構(gòu)阻礙了頂煤的快速放出。而處于拱頂上方的頂煤顆粒838號(hào)平均速度0.16 m/s,運(yùn)動(dòng)速度大于拱腳兩側(cè)的頂煤。處于拱腳右側(cè)(支架尾梁上方)的246號(hào)頂煤顆粒平均速度0.08 m/s,運(yùn)動(dòng)速度大于拱腳左側(cè)(水平底板上)的826號(hào)頂煤顆粒(平均速度0.05 m/s)。

圖3中A-B階段放煤口打開(kāi)頂煤開(kāi)始逐漸向放煤口運(yùn)移,此時(shí)拱腳兩邊的頂煤距離放煤口較近,所以運(yùn)移速度大于頂煤顆粒。在B點(diǎn)頂煤遇到第1次拱結(jié)構(gòu)阻礙,速度降為零,停止運(yùn)動(dòng)。B-C階段為頂煤逐步靠自身以及覆巖自重逐漸壓實(shí),拱結(jié)構(gòu)承受的重力越來(lái)越大,拱結(jié)構(gòu)逐漸被破壞,頂煤顆粒速度逐漸增大,頂煤繼續(xù)向著放煤口運(yùn)動(dòng)。頂煤顆粒在C、D點(diǎn)處再一次遇到拱結(jié)構(gòu)的阻礙,速度降為零,停止運(yùn)動(dòng)。C-D、D-E階段均為逐漸破拱階段,頂煤緩慢向著放煤口運(yùn)動(dòng),最終頂煤在E點(diǎn)處放出放煤口。

由以上分析可知,放煤過(guò)程是一個(gè)多層位拱不斷形成、破壞的動(dòng)態(tài)過(guò)程,并且拱結(jié)構(gòu)對(duì)放煤速度有著較大的影響。

2.3 動(dòng)態(tài)多層位拱形成機(jī)理

圖4為該放煤過(guò)程連續(xù)變化過(guò)程中的接觸力變化圖。圖中顆粒之間的黃色線(xiàn)條表示頂煤塊體之間的接觸力,線(xiàn)條越粗表明接觸力越大。結(jié)果表明,放煤過(guò)程中,在頂煤塊顆粒之間擠壓的作用下,頂煤顆粒易形成一個(gè)拱形結(jié)構(gòu)。由圖可見(jiàn),當(dāng)拱結(jié)構(gòu)形成時(shí),拱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的接觸力作用明顯,內(nèi)部接觸力連接成為拱形,拱結(jié)構(gòu)阻礙拱上方煤體放出。當(dāng)拱結(jié)構(gòu)破壞時(shí),煤體之間的接觸力也消失,此時(shí)頂煤可以順利放出。由此可以看出,頂煤成拱主要是由于頂煤顆粒之間形成接觸力,該接觸力對(duì)頂煤顆粒具有摩擦、擠壓作用。當(dāng)拱結(jié)構(gòu)上的礦山壓力小于頂煤顆粒之間的摩擦阻力時(shí),拱結(jié)構(gòu)不破壞,上方頂煤無(wú)法放出。當(dāng)拱結(jié)構(gòu)上承受的礦山壓力越來(lái)越大,大于頂煤顆粒之間的摩擦阻力時(shí),拱結(jié)構(gòu)被破壞,頂煤則涌向放煤口。

圖4 頂煤接觸力變化示意Fig.4 Contact force change of top coal

圖5為放煤過(guò)程中頂煤的速度矢量圖,圖中箭頭方向?yàn)轫斆哼\(yùn)動(dòng)方向,箭頭越大代表頂煤速度的越大。由于放煤口兩側(cè)有檔板存在,不同位置的頂煤運(yùn)移空間受限程度不同,導(dǎo)致不同位置頂煤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同。拱頂?shù)捻斆合蛑琶嚎趲缀醮怪毕蛳驴焖龠\(yùn)移,拱腳左側(cè)頂煤近水平緩慢向放煤口運(yùn)動(dòng),拱腳右側(cè)的頂煤沿著尾梁斜面向下運(yùn)動(dòng)。位于拱頂?shù)捻斆旱倪\(yùn)移速度遠(yuǎn)大于兩側(cè)拱腳,導(dǎo)致拱結(jié)構(gòu)的拱頂層位不斷向上發(fā)育,形成高層位的拱結(jié)構(gòu)。拱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的頂煤顆粒向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中互相接觸擠壓,可能在放煤口重新繼續(xù)形成拱結(jié)構(gòu),形成低層位的拱結(jié)構(gòu)。

2.4 走向連續(xù)橢球體

由以上分析可知,一次放煤的過(guò)程放出體為一個(gè)橢球體,因此沿著工作面走向放煤可以看成是橢球體沿著工作面走向連續(xù)移動(dòng)的過(guò)程。數(shù)值模擬表明,處在橢球體拱頂?shù)捻肥偸潜戎車(chē)拿后w先到達(dá)放煤口,導(dǎo)致處在兩橢球體中間的煤體難以放出,如圖6所示。

由圖可知,頂煤損失具有周期性,位于2次放煤橢球體之間的頂煤總是難以放出,頂煤損失存在必然性,如果放出這部分頂煤,將增加含矸率。

如果2次放橢球體之間空隙太大(放煤步距增大),橢球體中間的三角煤將增大,導(dǎo)致頂煤損失率增大,因此,合理的放煤步距對(duì)頂煤回收率非常重要。為了將頂煤最大化放出,合理的放煤步距應(yīng)為一個(gè)橢球體的寬度。不同放煤步距下橢球體移動(dòng)如圖7所示。

圖5 頂煤速度矢量圖Fig.5 Top coal velocity vector diagram

放頂煤開(kāi)采過(guò)程中,既要保證頂煤的最大化放出,又要保證不能放出過(guò)多的矸石。當(dāng)放煤步距偏小,連續(xù)移動(dòng)的橢球體互相重疊,雖然可以放出較多的煤體,但是也會(huì)放出大量的矸石,導(dǎo)致含矸率偏高。當(dāng)連續(xù)移動(dòng)的橢球體間隔太大,導(dǎo)致橢球體中間的煤體難以放出時(shí),頂煤回收率降低。因此合理的放煤步距應(yīng)和橢球體的寬度一致。

在該礦工作面地質(zhì)條件下,數(shù)值模擬表明橢球體的最終移動(dòng)步距比放煤口斜長(zhǎng)在走向水平方向上的投影稍長(zhǎng)。由于該投影長(zhǎng)度在實(shí)際條件下易于測(cè)量,因此可以用該投影長(zhǎng)度大致推測(cè)放煤橢球體的寬度并用于實(shí)際指導(dǎo)放煤步距(再結(jié)合采煤機(jī)截割深度),該工作面放煤口投影長(zhǎng)1 m,采煤機(jī)割煤深度0.6 m。再根據(jù)放煤步距模擬試驗(yàn)得出,兩采一放的放煤步距(1.2 m)頂煤回收率最高,因此現(xiàn)場(chǎng)放煤步距設(shè)為1.2 m較為合理。

圖7 不同放煤步距示意Fig.7 Schematic diagram of different coal caving steps

2.5 放煤破拱試驗(yàn)

由以上分析可知,由于放煤過(guò)程中存在拱結(jié)構(gòu)制約了煤體的快速放出,此時(shí)應(yīng)該破拱,讓煤體順利快速放出。利用PFC程序中的關(guān)鍵字Rotate可實(shí)現(xiàn)支架尾梁進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)來(lái)模擬實(shí)際支架尾梁的擺動(dòng)效果。

圖8(a)為頂煤放出過(guò)程中頂煤成拱,制約了頂煤放出效率。當(dāng)頂煤之間形成拱結(jié)構(gòu)時(shí),對(duì)支架尾梁進(jìn)行多次往復(fù)旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)角度15°,模擬實(shí)際生產(chǎn)中的尾梁擺動(dòng)效果,可以發(fā)現(xiàn)煤體之間的接觸力消失了,表明壓力拱結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞,煤體可以順利的放出,如圖8(b)所示。同時(shí),支架尾梁擺動(dòng)時(shí),相當(dāng)于增大了放煤口的寬度,進(jìn)一步促進(jìn)頂煤的放出。

可以看出,增加支架尾梁的擺動(dòng)可有效破拱,利于頂煤放出。統(tǒng)計(jì)尾梁擾動(dòng)前后頂煤顆粒838號(hào)運(yùn)動(dòng)速度,發(fā)現(xiàn)由于尾梁的擺動(dòng)作用,頂煤顆粒的速度明顯高于破拱之前速度且頂煤放出時(shí)間縮短,如圖9所示。

圖8 支架尾梁振動(dòng)示意Fig.8 Vibration diagram of support tail beam

圖9 頂煤放出速度Fig.9 Top coal caving speed

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)比3種不同放煤步距的頂煤回收率、含矸率、工作面回采效率,三者之間具有互相影響制約的關(guān)系,并通過(guò)模擬試驗(yàn)揭示了放煤步距對(duì)采出率和含矸率的影響機(jī)理。

(2)闡述了頂煤運(yùn)動(dòng)特征和成拱機(jī)理和橢球體形成過(guò)程,發(fā)現(xiàn)由于不同位置的頂煤運(yùn)移空間受限程度不同,導(dǎo)致不同位置頂煤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同。涌向放煤口的頂煤可能會(huì)在放煤口形成低層位的拱結(jié)構(gòu),導(dǎo)致了頂煤放煤時(shí)會(huì)形成一個(gè)動(dòng)態(tài)多層位拱結(jié)構(gòu),該多層位拱結(jié)構(gòu)反復(fù)破壞又反復(fù)形成,形成一個(gè)動(dòng)態(tài)循環(huán)的過(guò)程,直至頂煤完全放出。

(3)多層位動(dòng)態(tài)拱結(jié)構(gòu)式是阻礙頂煤放出的重要因素,需對(duì)拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行破除,可通過(guò)模擬支架尾梁擺動(dòng)的方式進(jìn)行破拱,證明了該方法可有效提高頂煤放出效率。

(4)在走向方向頂煤放出體是一個(gè)個(gè)連續(xù)的橢球體,合理的放煤步距應(yīng)使橢球體外輪廓線(xiàn)相互接觸,放煤步距與橢球體寬度應(yīng)大致相等,通常略大于放煤口斜長(zhǎng)在走向方向上的水平長(zhǎng)度。