综放工作面顶煤运移及煤矸界面演化规律研究

武晓敏

(重庆城市管理职业学院,重庆市沙坪坝区,401331)

综放工作面顶煤运移及煤矸界面演化规律研究

武晓敏

(重庆城市管理职业学院,重庆市沙坪坝区,401331)

回采率低是放顶煤开采中存在的主要问题。通过PFC数值模拟软件对内蒙古查哈苏煤矿工作面顶煤颗粒运移规律进行模拟,获得了煤矸流场的运移及煤矸界面的演化规律。研究结果表明当采用低位放顶煤支架时,初采时顶煤易成拱,随着累计放煤步距的增加,顶煤冒落或滑移形成的放煤漏斗长轴逐渐向采空区偏转,且煤矸界面逐渐模糊并趋于平缓。其中,煤矸界面的趋缓是造成低位放顶煤采空区遗煤的主要原因。

综采放顶煤 顶煤运移规律 煤矸界面演化 数值模拟

煤炭回采率低是制约煤矿企业发展的重要原因,尤其是在放顶煤开采中,受到开采方式的限制,其回采率平均为65%。

在放顶煤开采中,受到支架的反复支撑及上覆顶板破断下沉而产生的载荷作用,顶煤破碎形成颗粒或颗粒簇,随着外界因素的不断变化,其工程性能也随之改变。在放顶煤开采中,由于存在顶煤成拱效应以及由于煤矸的混合而引起的停止放煤判据不明,进而导致煤炭含矸率高是制约放顶煤开采效率的关键问题。因此研究综放开采中煤矸的运移规律和由于颗粒间的相互嵌入、连锁作用导致的成拱效应,以及在放煤过程中煤矸界面的演化规律,并据此探究合理的放顶煤工艺和停止放煤判据,对于提高顶煤放出率具有明显的工程意义。

为了研究综放开采中顶煤及上覆岩层运移规律,解决综放工作面开采顶煤放出率低的难题,国内外学者进行了大量的研究,目前对于放顶煤工艺的研究多是采用实验室散体研究及针对生产工艺的创新,对于在回采过程中的顶煤运移及煤矸界面的演化规律研究相对较少。在现场实际操作中,放煤结束的判据常常是顶板破碎矸石窜入放煤口(见矸),但此时支架上方仍有一定数量的遗煤,对于煤矸流场及煤矸分界面的研究是建立放煤终止判据的基础,也是提高顶煤回采率亟待解决的问题。本文基于PFC数值模拟软件,对综放顶煤煤矸流场随工作面推进的运移规律进行研究,揭示了低位放顶煤开采中,顶煤运移、煤矸界面的演化规律及不同回采工艺下导致采空区遗煤的原因。

1 顶煤成拱判据

顶煤的成拱效应是影响顶煤放出率的重要原因,其方式主要有纯煤成拱和顶煤与矸石混合成拱;在成拱位置上主要有低位成拱(在放煤口附近)和高位成拱(在支架掩护梁上部)。顶煤的成拱与煤矸颗粒块度、强度、累计放煤步距、放煤方式等有密切关系。其中,成拱原理以及成拱机率与顶煤块度的关系可根据散体介质力学的相关理论进行分析。任何颗粒状介质的成拱都会存在一个临界孔口尺寸值,当孔口尺寸大于此值时,颗粒就会自由放落而不会成拱。工作面支架放煤口在沿推进方向上可简化成长度不断增加的长缝孔,对于顶煤颗粒来说,这种长缝孔的临界孔口宽度α可按下式计算:

式中:α——长缝孔口的临界宽度;

τ——颗粒的切应力;

φ——颗粒的内摩擦角;

γ——颗粒的容重。

由于顶煤颗粒受到顶板来压及支架反复作用已处于破碎状态,可将顶煤假设为散体颗粒,忽略颗粒与颗粒间的粘结力,并且由于颗粒表面的非光滑性,在该种假设下颗粒间只能传递由于挤压产生的正应力和由于错动产生的切向应力,其中颗粒切应力可按下式计算:

式中:C——颗粒的内聚力;

σ——颗粒所受的正应力。

将式(1)、(2)联立可得:

由式(3)可知,长缝口的临界尺寸不仅与颗粒材料自身的容重γ、内聚力C、内摩擦角φ有关,而且还与正应力σ有关。由于在数值试验中,同一层位颗粒采用相同性质的材料,因而,容重γ、内聚力C、内摩擦角φ均为常数且相等,因此放煤口临界宽度仅与颗粒所受的正应力σ成正比关系。此外,正应力σ与块度D存在如下关系:

式中:E——弹性模量;

μ——泊松比;

D——顶煤块度;

ξ——颗粒接触时的法向重叠量。

由式(4)可知,对于某特定煤层来说,弹性模量与泊松比均为已知量,此时正应力σ将随顶煤块度D的增大而增大,同时,临界孔口尺寸也随之增大。当孔口给定尺寸小于所需临界尺寸时,颗粒状介质便有可能以接触力链的形式在孔口成拱。成拱机率Kc的大小取决于长缝孔口的临界宽度α与给定孔口尺寸L之比:

式中:Kc——散体介质成拱机率;

L——给定孔口尺寸。

联立(3)、(4)、(5)式可得:

当Kc≤1时,散体介质可自由放出,不会成拱;Kc＞1时,Kc越大,成拱机率越高。在进行数值模拟计算时,为了减少成拱效应,考虑放煤口尺寸为0.85 m,与水平方向夹角为85°,顶煤颗粒最小半径0.2 m,最大半径0.3 m。

2 顶煤运移规律数值模拟研究

2.1 离散元基本理论

连续介质力学的方法无法对散体顶煤放落的问题进行研究。采用离散元方法的UDEC和3DEC等数值模拟软件通过在各地层中预制裂隙的方法来模拟顶煤的放落具有复杂性和不准确性。PFC在顶煤放出规律的研究中,已取得了较多的成果。因此,本文采用PFC数值模拟软件对综放开采过程中顶煤颗粒的运移规律进行研究。

2.2 工作面概况

内蒙古国电建投能源有限公司查哈苏煤矿6107工作面埋深95 m,煤层厚度12.7 m,倾角6°,工作面倾斜长度145 m,工作面采用综采放顶煤工艺回采煤炭,采高3.3 m,采放比1∶2.85,循环放煤步距为1.4 m,采用多轮顺序放煤。

2.3 颗粒运动准则及参数

根据顶煤及直接顶岩层的赋存状态和受力状态,选择非粘结材料定义顶煤及直接顶岩层的流动和放出的特性,该准则规定颗粒间或颗粒与墙体间仅存在切向和法向应力;上覆岩层采用平行粘结材料(Parallel-Bonds Material),该种粘结材料存在抗拉强度,可在颗粒间传递力和扭矩。为了模拟顶板岩层的断裂,在上覆岩层中加入两组节理,其中一组为水平节理,一组为与水平呈30°的倾斜节理,并在节理间施加弱黏结力,如图1所示。

图1 模型建立及颗粒接触准则

共进行20次放煤循环,循环放煤步距为1.4 m。每次放煤预定运算步数为50万步,当顶煤成拱或见矸时停止运算,进行下一步放煤循环。

2.4 综放开采中顶煤颗粒流模拟分析

在计算中共进行了20次放顶煤开采,再次选取具有代表性的顶煤运移状态作为分析对象,如图2所示,分别选取累计放煤步距为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)时刻进行分析。

如图2(a)所示,当累计放煤步距为4.2 m时,顶煤受扰动不充分,Kc仍处于较大水平,图中所示状态为煤体已形成稳定结构,即架后顶煤成拱,因此,放出率较低。此时形成的煤拱拱角多位于支架掩护梁上方,多为低位成拱。由于成拱效应的存在,顶煤无法被完全放出,造成了不可避免的初采损失。为了减少成拱造成的损失,可采用摆动掩护梁的措施,松动上方咬合的碎煤块体,增加放出量。

图2 不同累计放煤步距下顶煤颗粒运移规律

随着累计放煤步距的增加,顶煤的放落充分性逐渐增强,当累计放煤步距为12.6 m时,直接顶破碎岩块已运移至放煤口,如图2(b)所示,此后的放煤终止判据为顶煤成拱或放煤口见矸。此外,在后期放煤过程中,大块破碎顶板岩块或大块煤体的窜入增加了放煤口阻塞的机率,如图2(c)～(e)所示,当发生放煤口阻塞时,可通过伸缩掩护梁插板或人工破碎的方法进行疏通。当累计放煤步距为28 m时,如图2(f)所示,煤矸界面和放煤漏斗形态逐渐趋于稳定,此后采空区内形成稳定量的遗落煤炭。从顶煤放落漏斗的边际线(如图2中白色虚线所示)可以看出,放煤形成的区域呈现近似椭圆形,且在放煤过程中,椭圆形放落区域的长轴方向逐渐向采空区侧偏转。

不同累计放煤步距顶煤颗粒位移矢量如图3所示,其中用β表示顶煤和矸石的交界面与水平方向的倾角。在此为了更清晰显示煤矸界面倾角的变化,选取不同于图2中的放煤时刻进行分析,分别选取累计放煤步距为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时(第20次放煤),此时倾角β分别为55.78°、21.65°、14.51°,11.55°。因此,随着累计放煤步距的增加,β趋于平缓,正是由于煤矸界面倾角的趋缓造成了采空区远端碎煤颗粒沿交界面的滚落动力不足,并最终导致了采空区的遗煤。采空区内遗煤不仅降低了回采率,更会加剧瓦斯的集聚,造成瓦斯事故。

图3 顶煤颗粒位移矢量图

3 放顶煤开采遗煤分析

在采用放顶煤开采的工作面,由于生产工艺或设备原因造成的顶煤遗落将无法避免,包括初、末采损失、端头损失、采区机巷和风巷的顶煤损失等,其遗落量不仅与采用的设备和工艺有关,更与煤岩物性特征、地质构造等因素有关。

采用高位和中位放顶煤支架时,累计放煤步距的增加基本不影响支架上方形成近乎直立或大角度的放煤漏斗,即放煤漏斗不随累计放煤步距的增加而变化。因此采用该种放煤支架时,采空区内不会形成该种上文所分析的由于煤矸界面趋缓而造成的遗煤。但采用高位及中位放顶煤支架时,顶煤成拱后,拱角落于顶梁前部及采空区垮落岩体上方。采用这两种支架难以解决顶煤的成拱效应,且一旦成拱,只能通过推移支架来破坏煤拱稳定性。此外,这两种放煤支架由于形成的放煤漏斗较直立,因此顶煤对支架的冲击作用明显,工作面粉尘较大。

采用低位放顶煤支架可以大大降低工作面粉尘浓度,减少顶煤对支架的冲击,并且采用低位放顶煤支架在顶煤成拱时,由于拱角落于掩护梁上方,可以通过摆动掩护梁的方式,在不用移架的前提下,破坏煤拱稳定性。从前文分析可以看出,低位放顶煤支架在放煤过程中存在顶板破碎矸石的窜入和由于煤矸接触面的趋缓而导致的顶煤颗粒滚落动力不足而造成采空区遗煤的缺陷。并且随着累计放煤步距的增加,煤矸接触面向采空区侧偏转,并逐渐变得模糊、不可辨。如果单纯以见矸为放煤终止标志,将造成顶煤回收率的降低,在实际操作中要求放煤操作员具有一定的生产经验,合理确定放煤终止时刻,在允许煤炭具有一定含矸率的基础上,尽量提高回采率。

综合以上分析,采用何种放顶煤支架应综合考虑煤层的赋存状态、生产状况、支架支护阻力、煤层顶板情况及工人的放煤经验等诸多因素。

4 结论

在放顶煤开采中,顶煤的回采率低是制约生产效益的最重要的原因。造成采空区内遗落煤炭主要是顶煤成拱及放煤工艺存在缺陷,研究随累计放煤步距的增加顶煤颗粒的运移规律,是合理确定施工工艺,减少煤炭损失,从而提高回采率的理论基础。本文从散体介质力学理论入手,分析了临界孔口尺寸与顶煤颗粒的关系,建立了Kc判据。通过对内蒙古查哈苏煤矿6107工作面顶煤颗粒运移规律进行数值模拟,获得了从开切眼到不同累计放煤步距下顶煤颗粒的运移规律并分析了采用不同放顶煤支架采空区遗煤的原因。采用低位放顶煤支架进行顶煤回采时,初采阶段由于放煤步距较小,Kc较大,顶煤易成拱。当孔口尺寸超过临界放煤步距时,顶煤一般不会成拱,并且顶板破碎矸石逐渐向放煤口运移,形成倾斜的煤矸交界面。随着累计放煤步距的增加,顶煤冒落或滑移形成的放煤漏斗长轴逐渐向采空区偏转,且煤矸界面逐渐模糊并趋于平缓。通过分析认为,煤矸界面的趋缓是造成低位放顶煤采空区遗煤的主要原因。

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(责任编辑 张毅玲)

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

武晓敏(1982－),女,讲师,硕士学位,目前从事矿井通风、采矿技术、安全等方面研究。