武曉敏

(重慶城市管理職業(yè)學(xué)院,重慶市沙坪壩區(qū),401331)

綜放工作面頂煤運(yùn)移及煤矸界面演化規(guī)律研究

武曉敏

(重慶城市管理職業(yè)學(xué)院,重慶市沙坪壩區(qū),401331)

回采率低是放頂煤開采中存在的主要問題。通過PFC數(shù)值模擬軟件對內(nèi)蒙古查哈蘇煤礦工作面頂煤顆粒運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行模擬,獲得了煤矸流場的運(yùn)移及煤矸界面的演化規(guī)律。研究結(jié)果表明當(dāng)采用低位放頂煤支架時,初采時頂煤易成拱,隨著累計放煤步距的增加,頂煤冒落或滑移形成的放煤漏斗長軸逐漸向采空區(qū)偏轉(zhuǎn),且煤矸界面逐漸模糊并趨于平緩。其中,煤矸界面的趨緩是造成低位放頂煤采空區(qū)遺煤的主要原因。

綜采放頂煤 頂煤運(yùn)移規(guī)律 煤矸界面演化 數(shù)值模擬

煤炭回采率低是制約煤礦企業(yè)發(fā)展的重要原因,尤其是在放頂煤開采中,受到開采方式的限制,其回采率平均為65%。

在放頂煤開采中,受到支架的反復(fù)支撐及上覆頂板破斷下沉而產(chǎn)生的載荷作用,頂煤破碎形成顆?；蝾w粒簇,隨著外界因素的不斷變化,其工程性能也隨之改變。在放頂煤開采中,由于存在頂煤成拱效應(yīng)以及由于煤矸的混合而引起的停止放煤判據(jù)不明,進(jìn)而導(dǎo)致煤炭含矸率高是制約放頂煤開采效率的關(guān)鍵問題。因此研究綜放開采中煤矸的運(yùn)移規(guī)律和由于顆粒間的相互嵌入、連鎖作用導(dǎo)致的成拱效應(yīng),以及在放煤過程中煤矸界面的演化規(guī)律,并據(jù)此探究合理的放頂煤工藝和停止放煤判據(jù),對于提高頂煤放出率具有明顯的工程意義。

為了研究綜放開采中頂煤及上覆巖層運(yùn)移規(guī)律,解決綜放工作面開采頂煤放出率低的難題,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究,目前對于放頂煤工藝的研究多是采用實驗室散體研究及針對生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新,對于在回采過程中的頂煤運(yùn)移及煤矸界面的演化規(guī)律研究相對較少。在現(xiàn)場實際操作中,放煤結(jié)束的判據(jù)常常是頂板破碎矸石竄入放煤口(見矸),但此時支架上方仍有一定數(shù)量的遺煤,對于煤矸流場及煤矸分界面的研究是建立放煤終止判據(jù)的基礎(chǔ),也是提高頂煤回采率亟待解決的問題。本文基于PFC數(shù)值模擬軟件,對綜放頂煤煤矸流場隨工作面推進(jìn)的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究,揭示了低位放頂煤開采中,頂煤運(yùn)移、煤矸界面的演化規(guī)律及不同回采工藝下導(dǎo)致采空區(qū)遺煤的原因。

1 頂煤成拱判據(jù)

頂煤的成拱效應(yīng)是影響頂煤放出率的重要原因,其方式主要有純煤成拱和頂煤與矸石混合成拱;在成拱位置上主要有低位成拱(在放煤口附近)和高位成拱(在支架掩護(hù)梁上部)。頂煤的成拱與煤矸顆粒塊度、強(qiáng)度、累計放煤步距、放煤方式等有密切關(guān)系。其中,成拱原理以及成拱機(jī)率與頂煤塊度的關(guān)系可根據(jù)散體介質(zhì)力學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行分析。任何顆粒狀介質(zhì)的成拱都會存在一個臨界孔口尺寸值,當(dāng)孔口尺寸大于此值時,顆粒就會自由放落而不會成拱。工作面支架放煤口在沿推進(jìn)方向上可簡化成長度不斷增加的長縫孔,對于頂煤顆粒來說,這種長縫孔的臨界孔口寬度α可按下式計算:

式中:α——長縫孔口的臨界寬度;

τ——顆粒的切應(yīng)力;

φ——顆粒的內(nèi)摩擦角;

γ——顆粒的容重。

由于頂煤顆粒受到頂板來壓及支架反復(fù)作用已處于破碎狀態(tài),可將頂煤假設(shè)為散體顆粒,忽略顆粒與顆粒間的粘結(jié)力,并且由于顆粒表面的非光滑性,在該種假設(shè)下顆粒間只能傳遞由于擠壓產(chǎn)生的正應(yīng)力和由于錯動產(chǎn)生的切向應(yīng)力,其中顆粒切應(yīng)力可按下式計算:

式中:C——顆粒的內(nèi)聚力;

σ——顆粒所受的正應(yīng)力。

將式(1)、(2)聯(lián)立可得:

由式(3)可知,長縫口的臨界尺寸不僅與顆粒材料自身的容重γ、內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ有關(guān),而且還與正應(yīng)力σ有關(guān)。由于在數(shù)值試驗中,同一層位顆粒采用相同性質(zhì)的材料,因而,容重γ、內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ均為常數(shù)且相等,因此放煤口臨界寬度僅與顆粒所受的正應(yīng)力σ成正比關(guān)系。此外,正應(yīng)力σ與塊度D存在如下關(guān)系:

式中:E——彈性模量;

μ——泊松比;

D——頂煤塊度;

ξ——顆粒接觸時的法向重疊量。

由式(4)可知,對于某特定煤層來說,彈性模量與泊松比均為已知量,此時正應(yīng)力σ將隨頂煤塊度D的增大而增大,同時,臨界孔口尺寸也隨之增大。當(dāng)孔口給定尺寸小于所需臨界尺寸時,顆粒狀介質(zhì)便有可能以接觸力鏈的形式在孔口成拱。成拱機(jī)率Kc的大小取決于長縫孔口的臨界寬度α與給定孔口尺寸L之比:

式中:Kc——散體介質(zhì)成拱機(jī)率;

L——給定孔口尺寸。

聯(lián)立(3)、(4)、(5)式可得:

當(dāng)Kc≤1時,散體介質(zhì)可自由放出,不會成拱;Kc＞1時,Kc越大,成拱機(jī)率越高。在進(jìn)行數(shù)值模擬計算時,為了減少成拱效應(yīng),考慮放煤口尺寸為0.85 m,與水平方向夾角為85°,頂煤顆粒最小半徑0.2 m,最大半徑0.3 m。

2 頂煤運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬研究

2.1 離散元基本理論

連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法無法對散體頂煤放落的問題進(jìn)行研究。采用離散元方法的UDEC和3DEC等數(shù)值模擬軟件通過在各地層中預(yù)制裂隙的方法來模擬頂煤的放落具有復(fù)雜性和不準(zhǔn)確性。PFC在頂煤放出規(guī)律的研究中,已取得了較多的成果。因此,本文采用PFC數(shù)值模擬軟件對綜放開采過程中頂煤顆粒的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究。

2.2 工作面概況

內(nèi)蒙古國電建投能源有限公司查哈蘇煤礦6107工作面埋深95 m,煤層厚度12.7 m,傾角6°,工作面傾斜長度145 m,工作面采用綜采放頂煤工藝回采煤炭,采高3.3 m,采放比1∶2.85,循環(huán)放煤步距為1.4 m,采用多輪順序放煤。

2.3 顆粒運(yùn)動準(zhǔn)則及參數(shù)

根據(jù)頂煤及直接頂巖層的賦存狀態(tài)和受力狀態(tài),選擇非粘結(jié)材料定義頂煤及直接頂巖層的流動和放出的特性,該準(zhǔn)則規(guī)定顆粒間或顆粒與墻體間僅存在切向和法向應(yīng)力;上覆巖層采用平行粘結(jié)材料(Parallel-Bonds Material),該種粘結(jié)材料存在抗拉強(qiáng)度,可在顆粒間傳遞力和扭矩。為了模擬頂板巖層的斷裂,在上覆巖層中加入兩組節(jié)理,其中一組為水平節(jié)理,一組為與水平呈30°的傾斜節(jié)理,并在節(jié)理間施加弱黏結(jié)力,如圖1所示。

圖1 模型建立及顆粒接觸準(zhǔn)則

共進(jìn)行20次放煤循環(huán),循環(huán)放煤步距為1.4 m。每次放煤預(yù)定運(yùn)算步數(shù)為50萬步,當(dāng)頂煤成拱或見矸時停止運(yùn)算,進(jìn)行下一步放煤循環(huán)。

2.4 綜放開采中頂煤顆粒流模擬分析

在計算中共進(jìn)行了20次放頂煤開采,再次選取具有代表性的頂煤運(yùn)移狀態(tài)作為分析對象,如圖2所示,分別選取累計放煤步距為4.2 m(第3次放煤)、12.6 m(第9次放煤)、15.4 m(第11次放煤)、19.6 m(第14次放煤)、23.8 m(第17次放煤)、28 m(第20次放煤)時刻進(jìn)行分析。

如圖2(a)所示,當(dāng)累計放煤步距為4.2 m時,頂煤受擾動不充分,Kc仍處于較大水平,圖中所示狀態(tài)為煤體已形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),即架后頂煤成拱,因此,放出率較低。此時形成的煤拱拱角多位于支架掩護(hù)梁上方,多為低位成拱。由于成拱效應(yīng)的存在,頂煤無法被完全放出,造成了不可避免的初采損失。為了減少成拱造成的損失,可采用擺動掩護(hù)梁的措施,松動上方咬合的碎煤塊體,增加放出量。

圖2 不同累計放煤步距下頂煤顆粒運(yùn)移規(guī)律

隨著累計放煤步距的增加,頂煤的放落充分性逐漸增強(qiáng),當(dāng)累計放煤步距為12.6 m時,直接頂破碎巖塊已運(yùn)移至放煤口,如圖2(b)所示,此后的放煤終止判據(jù)為頂煤成拱或放煤口見矸。此外,在后期放煤過程中,大塊破碎頂板巖塊或大塊煤體的竄入增加了放煤口阻塞的機(jī)率,如圖2(c)～(e)所示,當(dāng)發(fā)生放煤口阻塞時,可通過伸縮掩護(hù)梁插板或人工破碎的方法進(jìn)行疏通。當(dāng)累計放煤步距為28 m時,如圖2(f)所示,煤矸界面和放煤漏斗形態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定,此后采空區(qū)內(nèi)形成穩(wěn)定量的遺落煤炭。從頂煤放落漏斗的邊際線(如圖2中白色虛線所示)可以看出,放煤形成的區(qū)域呈現(xiàn)近似橢圓形,且在放煤過程中,橢圓形放落區(qū)域的長軸方向逐漸向采空區(qū)側(cè)偏轉(zhuǎn)。

不同累計放煤步距頂煤顆粒位移矢量如圖3所示,其中用β表示頂煤和矸石的交界面與水平方向的傾角。在此為了更清晰顯示煤矸界面傾角的變化,選取不同于圖2中的放煤時刻進(jìn)行分析,分別選取累計放煤步距為9.8 m(第7次放煤)、15.4 m(第11次放煤)、22.4 m(第16次放煤)、28 m時(第20次放煤),此時傾角β分別為55.78°、21.65°、14.51°,11.55°。因此,隨著累計放煤步距的增加,β趨于平緩,正是由于煤矸界面傾角的趨緩造成了采空區(qū)遠(yuǎn)端碎煤顆粒沿交界面的滾落動力不足,并最終導(dǎo)致了采空區(qū)的遺煤。采空區(qū)內(nèi)遺煤不僅降低了回采率,更會加劇瓦斯的集聚,造成瓦斯事故。

圖3 頂煤顆粒位移矢量圖

3 放頂煤開采遺煤分析

在采用放頂煤開采的工作面,由于生產(chǎn)工藝或設(shè)備原因造成的頂煤遺落將無法避免,包括初、末采損失、端頭損失、采區(qū)機(jī)巷和風(fēng)巷的頂煤損失等,其遺落量不僅與采用的設(shè)備和工藝有關(guān),更與煤巖物性特征、地質(zhì)構(gòu)造等因素有關(guān)。

采用高位和中位放頂煤支架時,累計放煤步距的增加基本不影響支架上方形成近乎直立或大角度的放煤漏斗,即放煤漏斗不隨累計放煤步距的增加而變化。因此采用該種放煤支架時,采空區(qū)內(nèi)不會形成該種上文所分析的由于煤矸界面趨緩而造成的遺煤。但采用高位及中位放頂煤支架時,頂煤成拱后,拱角落于頂梁前部及采空區(qū)垮落巖體上方。采用這兩種支架難以解決頂煤的成拱效應(yīng),且一旦成拱,只能通過推移支架來破壞煤拱穩(wěn)定性。此外,這兩種放煤支架由于形成的放煤漏斗較直立,因此頂煤對支架的沖擊作用明顯,工作面粉塵較大。

采用低位放頂煤支架可以大大降低工作面粉塵濃度,減少頂煤對支架的沖擊,并且采用低位放頂煤支架在頂煤成拱時,由于拱角落于掩護(hù)梁上方,可以通過擺動掩護(hù)梁的方式,在不用移架的前提下,破壞煤拱穩(wěn)定性。從前文分析可以看出,低位放頂煤支架在放煤過程中存在頂板破碎矸石的竄入和由于煤矸接觸面的趨緩而導(dǎo)致的頂煤顆粒滾落動力不足而造成采空區(qū)遺煤的缺陷。并且隨著累計放煤步距的增加,煤矸接觸面向采空區(qū)側(cè)偏轉(zhuǎn),并逐漸變得模糊、不可辨。如果單純以見矸為放煤終止標(biāo)志,將造成頂煤回收率的降低,在實際操作中要求放煤操作員具有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗,合理確定放煤終止時刻,在允許煤炭具有一定含矸率的基礎(chǔ)上,盡量提高回采率。

綜合以上分析,采用何種放頂煤支架應(yīng)綜合考慮煤層的賦存狀態(tài)、生產(chǎn)狀況、支架支護(hù)阻力、煤層頂板情況及工人的放煤經(jīng)驗等諸多因素。

4 結(jié)論

在放頂煤開采中,頂煤的回采率低是制約生產(chǎn)效益的最重要的原因。造成采空區(qū)內(nèi)遺落煤炭主要是頂煤成拱及放煤工藝存在缺陷,研究隨累計放煤步距的增加頂煤顆粒的運(yùn)移規(guī)律,是合理確定施工工藝,減少煤炭損失,從而提高回采率的理論基礎(chǔ)。本文從散體介質(zhì)力學(xué)理論入手,分析了臨界孔口尺寸與頂煤顆粒的關(guān)系,建立了Kc判據(jù)。通過對內(nèi)蒙古查哈蘇煤礦6107工作面頂煤顆粒運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬,獲得了從開切眼到不同累計放煤步距下頂煤顆粒的運(yùn)移規(guī)律并分析了采用不同放頂煤支架采空區(qū)遺煤的原因。采用低位放頂煤支架進(jìn)行頂煤回采時,初采階段由于放煤步距較小,Kc較大,頂煤易成拱。當(dāng)孔口尺寸超過臨界放煤步距時,頂煤一般不會成拱,并且頂板破碎矸石逐漸向放煤口運(yùn)移,形成傾斜的煤矸交界面。隨著累計放煤步距的增加,頂煤冒落或滑移形成的放煤漏斗長軸逐漸向采空區(qū)偏轉(zhuǎn),且煤矸界面逐漸模糊并趨于平緩。通過分析認(rèn)為,煤矸界面的趨緩是造成低位放頂煤采空區(qū)遺煤的主要原因。

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(責(zé)任編輯 張毅玲)

Research on the law of top coal movement and coal-gangue interface evolution in fully mechanized caving face

Wu Xiaomin
(Chongqing City Management College,Shapingba,Chongqing 401331,China)

The low recovery ratio of coal is an important problem in top coal caving.The research simulates the migration law of top coal particles by PFC in mining face of Chahasu Coal Mine in Inner Mongolia,and the movement of coal-gangue flow field and the evolution law of coal-gangue interface are studied by the simulation.The research shows that the top coal is easy to arch during primary mining when using low integrated caving hydraulic supports.With the increase of coal drawing interval,the long axis of the funnel which is caused by top coal caving or sliding gradually deflects toward goaf,and the coal-gangue interface becomes blurry and begins to flatten.The flattening of coal-gangue interface is the main reason of residual coal in low integrated caving goaf.

fully mechanized caving mining,law of top coal movement,evolution of coalgangue interface,numerical simulation

TD823

A

武曉敏(1982－),女,講師,碩士學(xué)位,目前從事礦井通風(fēng)、采礦技術(shù)、安全等方面研究。