基于PFC2D的综放开采顶煤冒放规律数值模拟.pdf
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1、第41卷 第8期2023年8月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.8Aug.2023收稿日期:2023-04-11基金项目:国家自然科学基金煤炭联合基金重点项目(U1361209)作者简介:徐壮飞(1987-),男,工程师,硕士,主要从事矿山开采工艺研究工作通信作者:贾尚伟(1988-),男,工程师,硕士,主要从事矿山设计与安全评价工作文章编号:1004-3918(2023)08-1167-09基于PFC2D的综放开采顶煤冒放规律数值模拟徐壮飞1,贾尚伟2,王海洋3,谢炎霖2(1.山东黄金矿业(玲珑)有限公司,山东 招远265400;2.河南省岩石矿物测试中心,郑州45
2、0012;3.河南省地球物理空间信息研究院,郑州450009)摘要:为了更加形象地研究顶煤冒放形态特征、宏观地把破碎的散体看作非理想状态下随机流动的松散介质.以某矿1302N大采高综放工作面为工程背景,利用离散元散体颗粒流软件PFC2D建立放顶煤二维横剖面模型,主要研究顶煤位移、煤矸动场变化、放出体衍化以及超前支承压力分布等现象.研究对比得出:顶煤流动规律方面,走向上放煤步距增大,顶煤的始动点边界线前移,顶煤运移范围增大;倾向上间隔放煤的煤损主要集中于同一轮放煤支架间的漏斗煤损.煤矸流场规律方面,采高增大煤矸分界线逐渐变陡;放煤步距增大,煤矸分界线始终保持双线形态前移.矿压显现规律方面,顶煤的
3、硬度增大,顶煤分区中范围逐渐缩小,即超前支承压力峰值区向煤壁靠拢;采放比增大,超前支承压力峰值区远离煤壁,综放开采顶煤破碎后的流动特点和运移路径的数值模拟研究,有利于掌握散体顶煤的放出规律,据此对放煤工艺参数进行针对性的优化设计,对提高煤炭资源采出率具有重要意义.关键词:综放开采;散体颗粒流模型(PFC2D);顶煤冒放规律;数值模拟;煤矸流场中图分类号:TD 823文献标识码:ANumerical Simulation Research on Top Coal Caving Law in FullyMechanized Caving Mining Based on PFC2DXU Zhuang
4、fei1,JIA Shangwei2,WANG Haiyang3,XIE Yanlin2(1.Shandong Gold Mining(Linglong)Co.Ltd.,Zhaoyuan 265400,China;2.Henan Province Rock and MineralTesting Center,Zhengzhou 450012,China;3.Henan Institute of Geophysical and Space Information,Zhengzhou 450009,China)Abstract:In order to more vividly study the
5、morphological characteristics of top coal caving,the broken loose body isregarded as a random flowing loose medium in a non ideal state.Taking the 1302N fully mechanized top coal cavingworking face of a mine as the engineering background,a two-dimensional cross-sectional model of top coal caving ise
6、stablished by using the discrete element loose particle flow software PFC2D.The displacement of top coal,the change ofdynamic field of coal gangue the evolution of caving body and the distribution of advance support pressure are mainlystudied.Through research and comparison,it is concluded that in t
7、erms of the flow law of top coal,the step distance of topcoal caving increases in the strike,the boundary line of the starting point of top coal moves forward,and the movementrange of top coal increases.The coal loss of interval coal drawing tends to be mainly concentrated in the funnel coal lossbet
8、ween the coal drawing supports of the same round.In terms of the flow field law of coal gangue,the coal gangueboundary becomes steeper with the increase of mining height.With the increase of the coal drawing step,the coal gangueboundary always keeps a double line shape and moves forward.In terms of
9、the law of rock pressure manifestation,thehardness of the top coal increases,and the range in the top coal partition gradually decreases,that is,the peak area of theleading bearing pressure approaches the coal wall.With the increase of mining caving ratio,the peak area of leadingbearing pressure is
10、far away from the coal wall.The numerical simulation research on the flow characteristics and第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月transportation path of the broken top coal in fully mechanized top coal caving is beneficial for grasping the release law ofloose top coal,and based on this,targeted optimization design
11、 of coal drawing process parameters is of great significancefor improving the coal resource recovery rate.Key words:comprehensive mining;Particle Flow Code 2D;top-coal caving regularity;numerical simulation;Coal gangue flow field自2000年以来,综合机械化放顶煤开采技术成为我国厚煤层及特厚煤层开采中的主流采煤方法,我国的厚煤层及特厚煤层主要分布在西部地区,占煤炭总储量
12、的45%1-4.目前,国内专家学者、技术人员对顶煤放出规律开展了大量研究工作.在顶煤放出规律研究中,始终以椭球体理论为基础,但是椭球体理论对放出体形态的多态变化不能完整地表达,其定量计算的精度不高.近年来,许多学者将顶煤放出过程看作是松散体的流动过程,取得了一定成果,但在顶煤放出体形态方面,还需要进一步研究.掌握综放开采在不同煤岩条件下的顶煤冒放规律和提高顶煤回收率,是当前科研对该技术主要研究的重点内容.放顶煤冒放规律的主要研究对象就是破碎后顶煤在自重和冒落覆岩作用下,随液压支架放煤口流动和放出的规律.从宏观来看,可以把冒落的煤岩看成非连续介质集合松散体的流动5-10.顶煤冒放规律的基础理论大
13、都借鉴自金属矿崩落法开采的椭球体漏斗理论11-12,而放顶煤开采需要考虑到支架的边界作用及其移动对顶煤冒放干扰的差异.椭球体松散介质流动规律定量计算难度很大,主要基于模拟手段来替代研究13-18.因此,研究顶煤冒落流动和运移规律对不同条件下厚煤层开采放顶煤工艺参数的确定和提高顶煤回收率都具有重要意义.1模型建立根据某矿实际情况,使用PFC2D软件建立1302N大采高综放工作面数值模型,模型长度为66.6 m,高度为20 m,模拟推进16刀,能够基本反映流动与放出规律.由于煤层中并无明显夹矸,建立如图1所示的模型初始状态,上层为破碎的直接顶,下部为破碎的顶煤,在煤中设置5层不同颜色的彩色标志线,
14、以观察煤体的流动状态和特征.采用低位放顶煤支架,摆动式尾梁,水平夹角45,机采厚度3 m,放煤厚度6 m,放煤口长1.5 m,放煤步距为0.8 m.矸石颗粒和煤炭颗粒的物理力学参数如表1所示.表1模型颗粒物理力学参数Tab.1Physical and mechanical parameters材料矸石煤炭半径/m0.20.50.050.2密度/(kgm-3)25001500法向刚度/(Nm-1)4.01082.0108剪切刚度/(Nm-1)4.01082.0108摩擦因数0.40.4其中,顶板法向、切向黏结力取0,主要考虑到本数值模拟仅取工作面直接顶,直接顶稳定性较差,易受采动影响破碎垮落.2
15、顶煤流动规律根据现场观测可知,随着工作面推进过程,顶煤逐渐发生破碎,并且随着破碎的矸石一起流动,因此以图1PFC2D 模型初始状态Fig.1Initial state of PFC2D model矸石标志线煤层11 m6 m3 m-1168引用格式:徐壮飞,贾尚伟,王海洋,等.基于PFC2D的综放开采顶煤冒放规律数值模拟 J.河南科学,2023,41(8):1167-1175.每一刀割煤结束以后所得的放出体为研究对象.通过观察容易发现,在移架后,放煤前放出体的赋存形态为一类椭球体.但由于顶煤受到采动影响破碎成散体,并且随着开采而流动,所以推断被放出的顶煤并不是与破碎直接顶一起以散体介质流的形式
16、,随着某种牵引力从最初赋存位置逐渐流动到放煤口.因此通过反演法,还原放出体从最初赋存到最终到达放煤口的过程,寻找顶煤流动的一般规律.由于PFC2D软件是二维模拟软件,因此为了系统研究整个放顶煤空间中顶煤的流动规律,分别建立了走向和倾向的模型进行研究.2.1走向切面观察选取之前建立好的模型,研究不同放煤步距对顶煤流动规律的影响进行研究.2.1.1一刀一放通过观察一刀一放条件下第八刀放出体流动过程可以看出,在走向方向上放出体赋存的最初形态为一条带状顶煤.工作面推进之初,放煤口距离该部分顶煤较远,因而受到较小的采动影响,随着工作面向前推进,条带状顶煤发生偏转,并最终积聚在支架尾梁上,随着放煤口打开被
17、放出.整个过程,放出体主要遵循以下规律:顶煤的始动点距离煤壁较远,且不同高度顶煤始动点的位置不同,顶煤位置越高,累积的位移量越大(图2).2.1.2两刀一放通过对比观察可知,随着放煤步距的增大,条带状放出体的流动规律基本不变,且下部靠近支架的顶煤主要完成竖直方向上的移动,并未发现水平方向上的偏转(图3).(a)起始位置(b)第一刀割煤结束(c)第五刀割煤结束(d)第八刀割煤结束图2第八刀放出体流动过程Fig.2Drawing body flow process of the eighth cutter(a)起始位置(b)第八刀割煤结束图3第十六刀放出体流动过程Fig.3Drawing body
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