基于PFC2D的综放工作面放煤步距研究

胡 燏

(乐山职业技术学院，四川省乐山市，614000)



基于PFC2D的综放工作面放煤步距研究

胡 燏

(乐山职业技术学院，四川省乐山市，614000)

为了确定成庄煤矿2200综放工作面合理的放煤参数，本文依据散体介质相似理论和现场数据，运用PFC2D(散体颗粒流)数值模拟软件的试验方法，研究不同放煤步距对顶煤移动放出规律、煤岩流动轨迹以及顶煤的回收率和含矸率的影响。通过模拟得出最优的放煤方式，在此基础上运用PFC软件模拟分析选择最佳的放煤步距。结果表明，2200工作面最优放煤方式为两采一放，最佳的放煤步距为1.6 m。

放顶煤开采 PFC2D 放煤参数优化

在综放工作面的开采过程中，放煤工艺是重要的环节之一，选择合理的放煤方式和放煤步距是提高工作面产量、提升原煤品质和煤层采出率的重要措施。我国煤层赋存状态及地质情况复杂多样，不同产区的顶煤强度、硬度等均有差异，导致顶煤冒放性千差万别，并且顶煤极易受到放煤方式和放煤歩距的影响，所以在进行放顶煤工作时一定要选择合理的放煤方式和放煤歩距。根据煤层实际赋存状况，通过数值模拟研究，取得理想的放煤参数，对实现煤矿生产的高产高效有重要意义。成庄矿是晋煤集团的主力矿井，目前开采山西组3#煤层，采用放顶煤开采方法。

1 PFC模拟软件简介

PFC(Particle Flow Code)系列软件是由ITASCA咨询集团开发的颗粒流分析程序，分为PFC2D和PFC3D两种。它是一种可用于模拟不同形状、大小的二维圆盘或三维球体集合体的运行及其相互作用的强大颗粒分析程序。除了模拟大体积流动和混合材料力学研究，程序更适合用于固体材料中微观或者宏观裂纹扩展、破坏累积并断裂、破坏冲击和微震响应等高水平课题的深化研究。PFC软件的可选模块有温度分析模块、流体分析模块、并行计算模块、本构自定义模块。PFC程序的基本原理是圆盘/球状颗粒系统的运动和相互作用通过时间追赶法进行求解。PFC采用中心差分方法在整个时间领域内对颗粒运动方程进行积分运算，并确保解的精度及其稳定性，即所谓的动态求解方法，即便对于准静态系统仍然使用该方法进行求解。动态求解方法的突出优势在于处理物理不稳定系统和路径相关问题时，不会出现解的不稳定性。PFC即颗粒流程序，是通过离散单元方法来模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用。

在放顶煤工艺中，可以将顶煤堆积、释放状态当做颗粒破裂、发展和散体流动的过程，因此可以选择PFC软件作为数值模拟软件。由于受到矿压的影响，顶煤在从初始点运移到放煤口的过程中会由完整体变为散落体，在受到支架掩护梁、顶煤破断线和冒落体堆积边界等作用情况下，当支架放煤口被打开后，发现这些散落的煤体会汇聚成一股散体流。综放开采顶煤冒落形态如图1所示，在综采工作面中，直接顶和顶煤产生破裂，煤块转变成松散煤岩体，其运动情况可视作散体运动。散体介质流实验模型见图2，散体顶板和散体顶煤共同构成一个复合散体介质，支架放煤口充当介质运动和颗粒间相互作用的自由边界角色，处于支架后部和上部的煤岩松散体会以缓慢的速度流向煤口，将顶煤煤流的运动过程(即流动和放出)叫做顶煤散体介质流模型。此模型主要用于分析顶煤煤体的运动情况。

图1 综放开采顶煤冒落形态图

2 放煤步距研究的模型建立

以成庄矿2200工作面为研究模拟对象，分析煤储层的地质条件，建立数值模型。煤层厚度约6.6 m，埋深约200 m，采高为2 m，采放比为1∶2.3，模型介质由顶板矸石和顶煤两部分构成，将顶煤划分成上中两层，设定煤体容重、法向刚度、切向刚度值分别为14000 kN/m3、2.0×108N/m、2.0×108N/m，矸石的容重、法向刚度、切向刚度值分别为25000 kN/m3、4.0×108N/m、4.0×108N/m，选取放煤口的直径为700 mm。

根据该煤层的实际赋存情况，建立初始模型，如图3所示。

图2 散体介质流实验模型

图3 初始模型示意图

模拟采用3种方法对煤层模型进行放煤，即当放煤歩距为0.8 m时，采用一采一放；当放煤歩距为1.6 m时，采用两采一放；当放煤歩距为2.4 m 时，采用三采一放。

3 放煤步距研究模拟的过程分析

在描述煤体运动过程时，会涉及到煤矸流动情况和煤岩分界线。煤体运移过程中，支架不断向前移动，导致原来的支架放煤口和煤岩位置产生相对位移。支架改变位置后，其斜后方和上方的煤体因丧失支架的支撑力会向前下方运移，占据了原来支架所在位置和空间，致使放煤边界线改变。放煤的初始边界线是指支架经过位移后，原有前部煤岩的分界线会成为下次放煤的边界线。放煤的过程就是放煤初始边界线不断改变更替的过程，直到工作结束时，将最后的放煤界线叫做放煤停止边界线。改变支架位置，再重复上述工作。放煤量是放煤初始边界线至停止边界线内的煤的总量。在放煤的过程中，因为顶煤运动情况的不确定性和放煤歩距大小等因素的影响，其中部分顶煤无法放出，形成了步距损失。

在开采实体煤层时，由于前方煤层质地均匀，地质条件稳定，放煤歩距的改变基本不会影响到顶煤的运移。未受人工影响的煤区称为原始煤区；支架上方出现的冒落区称为散体冒落区；因煤体的运移及煤巷的破坏出现拉断破坏区、剪切破坏区和压缩变形区。顶煤在散体冒落区运动量最大，出现明显的位移，主要呈垂直方向移动。

一采一放推进到第5刀时，顶煤运移图见图4。对于一采一放的开采工作，放煤口的水平投影长度大于放煤歩距，顶部煤体超过预定时间提前移动到放煤口，当移动至一半高度时，煤体流动速度放缓，中间位置的顶部煤层从放煤口中迅速流出，对于后面的矸石运移速度要比上部矸石向下运动的速度快，所以后面的矸石率先移动到放煤口，在放煤工作初始时放煤口有矸石的出现，但并不影响放煤工作的继续，一旦后部大量矸石和煤体运移到放煤口并将其堵塞时，需马上停止放煤工作。

两采一放推进到第5刀时，顶煤运移图见图5。对于两采一放的开采工作，放煤口的水平投影长度略小于放煤歩距，煤矸运移速度缓慢，放煤口的煤体和支架上的顶煤几乎在同一时间移动到了放煤口。

三采一放推进到第5刀时，顶煤运移图见图6。对于三采一放的开采工作，放煤口的水平投影长度小于放煤歩距，每次放煤口放出的煤总量相对较大，放煤的初始边界更倾向于采空区，整体跨度范围广。处在位置靠后的煤层下面是质地坚硬的矸石和底板，导致此位置的煤体流动不便，速度较慢。对于距离放煤口较近的下方顶煤，由于受到自身的重力和后部矸石向前推移的推力，顶煤会不断向放煤口移近直至放煤口。由于在运移过程中后部矸石会顶替原有顶煤所在位置，此时会形成一个不易放煤的三角煤区。与中部煤层和位于放煤口上部的煤层相比，后者的煤体流动速度更快，流动空间更宽广，最先到达放煤口，对于提前流动的顶部煤层区域，总流出量较少，在中部区域的上部矸石会向下凹，呈现一个凹面。当顶煤不断流出时，处在中部位置的顶煤会被上部矸石代替，直至流动到放煤口。煤体的这一运动会导致两侧煤体无法正常放出，中部矸石阻碍了放煤工作的进行，此时只能暂停工作，避免造成更大的经济损失。

图5 两采一放顶煤运移图

图6 三采一放顶煤运移图

4 放煤步距模拟的结果分析

通过数值模拟分析结果可知，研究开始位置到工作面推进11 m时的这段距离就可以得出不同的放煤方式产生的最终效果。

在采用不同的放煤方式开采实体煤时，改变放煤歩距时，顶煤的总位移距离都是9.6 m，一采一放的放煤步数为12次，两采一放的放煤步数为6次，三采一放的放煤步数为4次，共动用41.86 t顶煤储量，3种放煤方式放煤效果如图7所示。

在采用一采一放方式进行开采工作时，设定的放煤歩距为0.8 m，放煤口的水平投影长度大于放煤歩距，当在放煤口出现矸石后继续放煤工作，直至放煤口位置的煤体总量为矸石总量的两倍时需马上停止工作，尽力保证将顶煤的损失降到最低，总的放煤量达到37.18 t，含矸率相对较高，为25%～45%，顶煤的放出率达到88.8%。若要保证放煤率越高，则采出的煤炭中含矸率越高，煤体质量越差。若要保证放出煤的质量，则煤体的总放出量则降低。

图7 3种放煤方式放煤效果对比

在采用两采一放方式进行开采工作时，设定的放煤歩距是1.6 m，放煤口的水平投影长度小于放煤歩距，总的放煤量达到35.97 t，含矸率为13%，顶煤的放出率达到85.9%。与一采一放的开采方式相比，顶煤放出总量有所降低，但煤体质量大大提高。此方式可保证煤体放出量和含矸率的最大优化。

在采用三采一放进行开采工作时，设定放煤歩距是2.4 m，放煤口的水平投影长度小于放煤歩距，总的放煤量达到31.61 t，含矸率达17%左右，顶煤的放出率达到78%。与两采一放的开采方式相比，煤体的放出量大大降低，放出煤体的质量也变差。若要保证产量同一采一放方式的煤产量相同时，煤体含矸率则不达标；若要保证煤体质量同两采一放方式的煤质相同时，则煤的放出总量会明显减少。

综上所述，在开采实体煤的过程中，要权衡煤体含矸率和放出率两个方面，确定合理的放煤歩距，保证收益最大化，分析3种开采方式和采出结果可知采用两采一放的方式最合理。

5 结论

综合分析3种采煤方式可知，两采一放的采煤方式的煤体放出量和煤质都相对理想。结合2200工作面煤层的实际情况，最合适的采煤方式为两采一放，设置放煤歩距为1.6 m。本文针对该工作面的煤层赋存状况提出了合理的放煤参数，实现了工作面生产的高产高效，同时为类似地质条件工作面放煤步距的选择提供了一定借鉴。

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(责任编辑 郭东芝)

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

国家科技支撑计划课题( 2012BAB13B02)

胡燏. 基于PFC2D的综放工作面放煤步距研究[J].中国煤炭，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，重庆忠县人，硕士研究生，副教授，研究方向为计算机网络、物联网技术。