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      大采高綜放開采頂煤運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬研究

      2022-03-08 08:27:24張建功
      山西化工 2022年1期
      關(guān)鍵詞:頂煤高下綜放

      張建功

      (西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 太原 030053)

      引言

      目前我國對(duì)厚煤層開采的方式主要有大采高綜采、分層開采、綜放開采三種,分層開采開采的效率較低,大采高綜放開采對(duì)于頂板巖性要求較高,均存在一定的弊端,比較而言綜放開采具有高產(chǎn)高效的特點(diǎn),但其損失煤量仍較大,所以如何提升頂煤的回收率對(duì)于綜放開采十分重要[1]。本文通過理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的研究手法對(duì)不同開采條件下煤巖運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究,為綜放開采高效開采做出一定的貢獻(xiàn)。

      1 礦井概況及數(shù)值模型建立

      屯蘭礦位于西山煤田之東部邊緣,距太原市約60 km,井田面積73.33 km2,設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力500 萬t,屬高瓦斯礦井。18406 工作面現(xiàn)主要開采太原組2#、8#煤層,開采煤層平均厚度3.9 m。厚煤層綜放工作面放頂煤的變形較為復(fù)雜,破壞形式主要是受到開采技術(shù)及煤層覆存條件所決定,所以在覆巖的力學(xué)性質(zhì)及開采環(huán)境一定的情況下,厚煤層開采變形特征只受到開采參數(shù)的影響。煤層埋深越深,在前方形成的超前支撐壓力峰值也就也大,支撐應(yīng)力影響的范圍也就也廣,所以對(duì)頂煤的破壞也就越明顯,更有利于頂煤的放出。采高同樣是對(duì)頂煤冒放重要的影響因素,為了研究不同開采工藝下的頂煤冒放情況,本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同采高下頂煤的破壞情況進(jìn)行分析。

      根據(jù)屯蘭礦實(shí)際地質(zhì)情況,監(jiān)理長寬高分別為200 m×200 m×80 m 的模型,工作面走向長度為120 m,傾向長度100 m,對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),充分考慮計(jì)算精度及計(jì)算效率的影響對(duì)模型的研究區(qū)域進(jìn)行粗劃分,完成模型網(wǎng)格劃分后對(duì)模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,根據(jù)地質(zhì)實(shí)際情況對(duì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,具體巖層力學(xué)參數(shù),如表1 所示。

      表1 具體巖層力學(xué)參數(shù)表

      2 模擬計(jì)算

      完成巖層參數(shù)設(shè)定后對(duì)采高2、2.5、3、3.5、4 m 分別進(jìn)行模擬研究,給出不同采高下垂直應(yīng)力峰值變化曲線,如圖1 所示。

      圖1 不同采高下垂直應(yīng)力峰值變化曲線

      從圖1 可以看出,隨著采高的不斷的增加,此時(shí)應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),而應(yīng)力峰值超前距離隨著采高的增加呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)。當(dāng)機(jī)采高度為2 m 時(shí),此時(shí)的應(yīng)力峰值為17.98 MPa,應(yīng)力峰值出現(xiàn)的距離為工作面前方4.8 m 的位置,當(dāng)機(jī)采高度為3 m 時(shí),此時(shí)的應(yīng)力峰值達(dá)到不同采高下的最大值,最大值為18.1 MPa,此時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力峰值的位置為工作面前方5.1 m,當(dāng)機(jī)采高度為4 m時(shí),此時(shí)的應(yīng)力峰值為不同采高下的最小值,此時(shí)的最小值為17.35 MPa,最小值的位置出現(xiàn)在工作面前方5.9 m 的位置。可以看出當(dāng)機(jī)采高度為3 m 時(shí),此時(shí)的應(yīng)力峰值最大,頂煤的破裂效果最佳。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)楫?dāng)采高小于3 m 時(shí),此時(shí)的頂煤的厚度減小,此時(shí)覆巖的緩沖作用減小,巖梁的回轉(zhuǎn)幅度增大,所以應(yīng)力峰值逐步增加,而當(dāng)采高大于3 m 時(shí),此時(shí)頂煤厚度進(jìn)一步減小,頂煤向著支架方向采空區(qū)冒漏,應(yīng)力集中由頂煤轉(zhuǎn)移至煤壁,所以應(yīng)力峰值出現(xiàn)減小的趨勢(shì)[2]。

      對(duì)不同采高下的頂煤破碎程度進(jìn)行分析,分別在頂煤上部布置測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)間距設(shè)定為0.5 m,監(jiān)測(cè)頂煤的水平位移情況,繪制頂煤位移曲線,如圖2所示。

      圖2 頂煤水平位移曲線

      從圖2 中可以看出,隨著距離工作面高度的不斷增加,頂煤的水平位移呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì),同時(shí)隨著采高的不斷增加,頂煤的水平位移量最大值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)采高為3 m 時(shí),此時(shí)的頂煤水平位移的最大值最大,約為141 mm,當(dāng)采煤高度為2 m 時(shí),此時(shí)的頂煤水平位移量最小僅為72 mm,同時(shí)可以看出不同采高下的頂煤水平位移量均出現(xiàn)在下位頂煤中。在采高2 m 和2.5 m 時(shí),此時(shí)的頂煤水平位移量變化趨勢(shì)較為緩和,而在采高為3 m、3.5 m和4 m 時(shí)頂煤的水平位移量變化趨勢(shì)較為劇烈,可以看出,當(dāng)采高為3 m 時(shí),此時(shí)的頂煤流動(dòng)性較佳,頂煤的冒放性較好。

      對(duì)不同采高下的頂煤運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究,采用PFC 軟件進(jìn)行計(jì)算,模擬采高分別為2 m、3 m 和4 m情況下頂煤的運(yùn)移規(guī)律[3-4],模擬結(jié)果圖,如圖3 所示。

      圖3 不同采高下的頂煤運(yùn)移規(guī)律云圖

      從圖3 可以看出,不同采高下的頂煤冒落狀態(tài)均類似于漏斗狀,在煤巖分界位置對(duì)的斜率較大,在采空區(qū)一側(cè)的斜率較小。模型顆粒間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.4,支架與顆粒間的摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1,隨著采高的增大,在煤矸分界位置的斜率呈現(xiàn)出逐步增大的趨勢(shì),當(dāng)采高為2 m 時(shí),此時(shí)在采空區(qū)的煤矸界限明顯下凹,此時(shí)由于頂煤厚度較大,使得頂煤的流動(dòng)速度很慢。當(dāng)采高增大至3 m 和4 m 時(shí),此時(shí)的放頂煤空間較大,煤巖的分界較為平滑,頂煤的流動(dòng)速度較大,對(duì)于放頂煤較為有利。不同采高下的頂煤的含矸率和回收率,如表2 所示。

      表2 不同采高下的頂煤的含矸率和回收率

      從表中可以看出,當(dāng)采高為2 m 時(shí),此時(shí)的頂煤回收率為78.4%,頂煤中的含矸率為13.6%,而當(dāng)采高為3 m 時(shí),此時(shí)的頂煤回收率為86.1%,頂煤中的含矸率為8.4%,當(dāng)采高為4 m 時(shí),此時(shí)的頂煤回收率為84.2%,頂煤中的含矸率為8.7%,可以看出隨著采高的增大,頂煤的回收率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),含矸率也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)采高為3 m 時(shí),此時(shí)的頂煤回收率和含矸率均為最優(yōu)值,所以采高的最佳值為3 m。

      3 結(jié)論

      1)隨著采高的不斷的增加,此時(shí)應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),而應(yīng)力峰值超前距離隨著采高的增加呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì),在采高為3m 時(shí)應(yīng)力峰值及峰值超前距離最大。

      2)隨著距離工作面高度的不斷增加,頂煤的水平位移呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì),同時(shí)隨著采高的不斷增加,頂煤的水平位移量最大值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

      3)不同采高下的頂煤冒落狀態(tài)均類似于漏斗狀,當(dāng)采高為3 m 時(shí),此時(shí)的頂煤回收率和含矸率均為最優(yōu)值,分別為頂煤回收率為86.1%,頂煤中的含矸率為8.4%。

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