综放工作面放煤步距数值模拟研究

靳少博(山西焦煤霍州煤电集团吕临能化煤电综合项目部，山西 临县 033200)

应用研究·煤矿·

综放工作面放煤步距数值模拟研究

靳少博
(山西焦煤霍州煤电集团吕临能化煤电综合项目部，山西 临县 033200)

为了确定某矿5- 108综放工作面合理的放煤参数，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，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，5- 108综放工作面最优放煤方式为两采一放，最佳的放煤步距为1.6m。

综放工作面； 放煤步距； 数值模拟

1 前言

放顶煤开采是煤炭开采过程中的重要工艺之一，在我国许多矿井有较广泛的应用。在综合放顶煤过程中，放煤步距与放煤方式的不同选择则直接影响煤层的采出率与原煤的品质。

我国煤炭资源的煤层赋存状态千差万别，煤的强度、硬度等属性随着不同区域的地质环境不同而各不相同。放煤步距与放煤方式对顶煤的冒放性有重要影响，因此在煤矿综合放顶煤工艺的放煤步距与放煤方式进行时，放煤步距与放煤方式的合理选择将大大提高煤炭的采出率。通过运用PFC数值模拟软件，结合5- 108综放工作面实际地质情况，经过分析得出了理想的放煤参数，对放顶煤放煤工艺的优化设计有一定指导作用。

2 模拟软件简介及选用

PFC全称Particle Flow Code，ITASCA咨询集团依据颗粒流分析程序开发了该系列软件，该系列软件是通过模拟运行大小任意的二维圆盘或三维圆球及模拟其相互作用关系的大型颗粒流分析软件[1]。

PFC软件能够选择的模块主要有：第一，温度分析模块；第二，流体分析模块。同时对模块进行计算以及定义。其原理是利用时间追赶法计算圆盘颗粒的运动得到答案。该软件利用中心差分法，在所有的时间领域范围内计算颗粒运动方程，同时保证最终答案的精准度以及稳定程度，该法又叫做动态求解法。该法的主要优点就是颗粒运动路径和物理的不稳定性最终能够确保方程解的稳定性。PFC在显示迭代分析的时候，通过求解两组不同的方程，分别是运动以及位移本构方程。在方程组中，等号右边都是未知的变量，在单个迭代中，它们通常被认为是常量，其实是不发生改变的变量。能够很好地保证非线性接触本构求解的准确度[2]。利用PFC执行迭代的时候，还有一个非常重要的技术，叫做颗粒间接触状态侦查，它主要包括两个，分别是原来接触的脱离以及产生的新接触。对PFC用户而言，这项技术无法提供和其它用户相互控制的渠道，但是ITASCA从程序刚刚开发的时候，就将重点放在优化接触状态侦查上，主要表现在对循环结构技术的使用上，能够很好地减少搜索所用时间，提高计算效率。比如，在颗粒有较多的位移，同时具有构成新接触的可能时，可以在颗粒附近激活接触侦查算法。总的来说，接触状态侦查需要的时间越多，颗粒数量也就越多，两者是成正相关的。

图1 综放开采顶煤冒落形态图

放顶煤工艺中，能够把顶煤堆积等方程颗粒破裂以及流动过程进行模拟，所以在模拟时最好选择那些具备较好模拟效果的软件，比如PFC。因为来自矿压的影响，顶煤体从开始位置移动到放煤口时会从完整的状态变成散落状态，因为有来自支架掩护梁以及冒落堆积边界的影响，在打开放煤口的时候，会看到散落的煤颗粒变成散体流[3～5]。从图1中能够看出，在综采工作面中，直接顶以及顶煤会发生直接的破裂，大的煤块会变成散落状态的煤岩体，可以把这种运动看成散体运动。从图2中可看出散体运动的基本规律。散体顶煤顶板组成复合形式的散体介质，支架放煤口充当自由边界，煤岩松散体在流向煤口时速度非常慢，可以把顶煤煤流运动称为顶煤散体介质流模型，主要用该模型研究顶煤运动状态的改变。

图2 散体介质流实验模型

3 放煤步距研究模型的建立

将某矿5- 108工作面当作对象进行模拟，研究煤储层的地质情况，设置数值模型。煤层的厚度大约为6.6m，和地面的距离达到200m，煤巷采高达到2m，采放比是1∶2.3，模型主要由两个不同的部分组成：顶板矸石和顶煤。可以把顶煤分为两层，分别是上层以及中层。如图3所示，深色表示上层的顶煤，中部表示中层顶煤，上部表示矸石，设定煤体容重、法向刚度、切向刚度分别为14 000kN/m3、2.0×108N/m、2.0×108N/m，矸石的这3个指标分别为25 000kN/m3、4.0×108N/m、4.0×108N/m，放煤口的直径设定为70cm。

按照这个煤层的赋存设置初始模型，见图3。

图3 初始模型示意图

模拟利用3种不同的方法对煤层模型放煤，也就是如果放煤歩距是0.8m，实行一采一放的形式；如果放煤歩距为1.6m，实行两采一放的形式；如果放煤歩距是2.4m时，实施三采一放的形式。

4 放煤步距研究模拟过程分析

在说明煤体运动的时候，和煤矸流动以及煤岩分界线有很大关系。在煤体运动时，支架一直处于前移的状态，让支架放煤口以及煤岩发生移动。支架更改原来的位置以后，它的上方以及斜后方位置的煤体因为没有来自支架的支撑，会向下移动，原来支架所处的空间以及位置被占据，使放煤边界线产生改变。边界线指的是支架位置改变以后，原来前部煤岩的分界线改变称为下一次放煤的边界线。在放煤过程中，边界线不断更替改变，到工作完成时才停止。把最终的放煤界限称为放煤停止边界线。更改支架的所处位置，一直反复上面的过程，全部放煤量是初始与停止边界线全部放煤量的总和[6～12]。在放煤时，由于顶煤的运动状态无法精确知道，放煤的具体步距也不清楚，很多顶煤无法产出，造成很多的步距损失。

在开采煤层时，因为处于前面的煤层质地非常均匀，条件很稳定，即使放煤步距发生改变，对顶煤移动也基本没有影响。将那些没有人工带来影响的煤区叫做原始煤区，如果支架的上面有冒落区，把该区域叫做散体冒落区，因为煤体位置的改变会有拉力，剪切破坏区以及压缩变形区出现。在冒落区位置煤体的运动量是最大的，位置发生了显著的改变。向垂直下面的位置移动。

从图4中可看出，对开采工作来说，放煤口位置的水平投影长度高于放煤步距，处于顶部的煤体会在原定时间之前运动到放煤口，如果大于原来的一半高度，煤体的流动速度会减慢，处在中间的顶煤迅速从原来位置流出，处于后面位置的矸石移动速度比处于上部位置的要快很多，因此前者比后者先到达放煤口。在刚开始放煤的时候，会在放煤口的位置发现矸石，但是其对放煤工作没有任何影响，如果后面有很多矸石运动到放煤口位置，并且把放煤口堵塞时，应该立刻暂停放煤。

图4 一采一放顶煤运移图

从图5中可看出，对开采工作来说，放煤口位置的水平投影比放煤步距小很多，煤矸运动速度比较慢，位于放煤口位置的煤块以及支架位置上的顶煤都集中转移到放煤口位置。

图5 两采一放顶煤运移图

从图6中可看出，对开采工作来说就是处于放煤口位置的投影长度比放煤步距小很多，因此在放煤口位置会放出很多煤，放煤位置的初始边界和采空区非常接近，有较大的跨度，煤层下方是一些质地非常坚硬的底板以及矸石，所以煤体无法正常流动，即使能够流动，速度也非常慢。对那些离放煤口比较近的顶煤来说，因为自身重力较大，位于后方的矸石会向前推动，顶煤慢慢移动到放煤口，因为顶煤移动过程中，后面的矸石顶替原来顶煤的位置，构成一个不能轻易放煤的三角形煤区。那些处于放煤口上方的煤层有着较快的流动速度，流动空间非常大，能够用最快的速度移动到放煤口位置，对顶部煤层来说，流出的总量比较少，处于中部位置的矸石向下凹陷，形成凹面。随着顶煤的流出，位于中部区域的顶煤会被矸石顶替，一直到流到放煤口位置。煤体这样的运动状态使两边的煤体无法顺利流出，处于中间区域的矸石阻挡了放煤的正常运行，这时候只能选择停止工作，防止产生更大煤损失。

图6 三采一放顶煤运移图

5 放煤步距模拟结果分析

利用数值模拟分析的方式可知，仅仅分析初始位置到工作面推进11m的位置就能够得到各种不同类型放煤方式的不同结果。

利用各种不同类型的方式对实体煤进行开采，调节放煤步距以及总的移动距离相同，即9.6m，放煤步数达到12次，其中，两采一放方式进行的步数是6次，三采一放为4次，一共需要利用41.66t顶煤储存量，将3种不同的放煤方式进行对比，见图7。

图7 3种放煤方式放煤效果对比

通过一采一放的方式开采煤体时，将放煤步距设定为0.8m，放煤口位置处的投影长度比放煤步距大很多，如果发现矸石，可以持续进行工作，一直到放煤口位置处的煤体总数量高出矸石总数量2倍的时候暂停工作，把损失降到最小，放煤量高达37.18t，含有矸石率较高，在25%到45%之间，顶煤放出率高达88.88%。在确保放煤率较高的前提下，其中的含矸率必然越大，这样煤体的质量就比较差。在确保煤体质量合格的前提下，就必须减少煤体的放出总数量。

通过两采一放的方式开采煤体时，将放煤步距设定为1.6m，放煤口位置处的投影长度比放煤步距小很多，放煤总数量为35.97t，煤体的含矸率达到13%，放煤率为85.9%。和一采一放方式比较，放出煤体的数量大幅度减少，但是煤体的质量有所提高，这种方式能够很好地确保较高的放煤总量以及煤体的含矸率。

通过三采一放的方式开采煤体时，将放煤步距设定为2.4m，放煤口位置处的投影长度比放煤步距小很多，放煤总数量为31.61t，煤体的含矸率达到17%，放煤率为78%。和两采一放方式相比，该法放出的煤体数量大幅度减少，放煤质量也比较差，如果要保证该方式下的煤体产量等于一采一放方式下的煤体产量，那就会出现煤体的含矸率达不到标准的现象，如果要确保煤体质量和两采一放方式下的煤体质量处于同等水平，就会大大减少煤体的总放出量。

总之，在开采煤体时，必须比较煤体放出率以及含矸率这两个指标，设定符合要求的放煤步距，有利于提高收益，研究上面3种不同的开采方式以及结果得到，两采一放方式是一种比较好的放煤方式。

6 结语

研究上面3种不同形式的放煤方式得到，利用两采一放的形式，在总煤体放出量以及煤体质量两个方面都能够达到规定要求。综合5- 108工作面的实际工作状况，最为理想的采煤形式应该为两采一放方式，将放煤步距设定为1.6m，本文根据该工作面的煤体赋存实际情况得到一些较为合适的放煤参数，能够提高工作效率，增大放煤产量，同时，还可以给其他工作面在选择放煤步距问题上提供一定的参考。

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Numerical simulation study of coal-drawing interval of fully mechanized caving face

In order to determine the reasonable coal-drawing parameters of 5- 108 fully mechanized caving face of a coal mine, according to the similarity theory of granular medium and field data, PFC2D software was used to study the influence of different coal-drawing interval on top coal movement law, coal and rock flow path, top coal recovery rate and refuse content. Through the simulation the best drawing way was obtained, and based on it using PFC software simulated and analyzed the coal-drawing interval to select the best. The results showed that the best coal drawing way of 5- 108 fully mechanized caving face was two mining and one caving, and the best drawing interval was 1.6m.

fully mechanized caving face; coal-drawing interval; numerical simulation

TD822+.1

A

靳少博(1988-)，男，助理工程师，从事采矿技术工作。