基于PFC2D的综放开采顶煤冒放规律数值模拟.pdf

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450012；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 Zhuangfei1，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 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 isestablished 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 terms 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 lossbetween 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 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 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 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，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，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 flow process of the 16th cutter（c）第十六刀割煤结束-1169第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月2.1.3三刀一放另外，通过研究不同放煤步距下相同位置顶煤的流动规律可得知，随着放煤步距变化，顶煤的始动点边界线前移，顶煤运移范围越大，基本与放出体运移规律相似（图4）.2.2倾向切面观察建立工作面倾向模型，在该模型中，顶煤、顶板的物理力学性质均参考走向模型，放煤口仍取1.5 m，尽量还原真实情况.数值模拟省略了煤层开采部分，仅考虑放煤过程.选取不同放煤方式，研究顶煤流动规律.2.2.1单轮顺序放煤由图5可见，在单轮顺序放煤模拟过程中，工作面第一台支架放出较多顶煤，且倾向上，初次放出体形状仍为一类椭球体.其他支架放出的顶煤均为支架上部顶煤，最初赋存形态呈条带状，且最终以类椭球体形状被放出.由此可知，即使工作面最后一台支架放煤结束，工作面也不会存在较大煤损，回采率较高.使用反演方法，具体研究第六台支架上顶煤流动轨迹，顶煤流动规律如图6可知，在单轮顺序放煤过程中，由于顶煤受重力以及矸石挤压的作用力，最初以条状赋存的顶煤发生偏转，最终从放煤口放出，且放出图5从中部支架放顶煤Fig.5Top coal caving from the middle support（a）第九刀割煤结束（b）第十二刀割煤结束图4第十五刀放出体流动过程Fig.4Drawing body flow process of the 15th cutter（c）第十五刀割煤结束图6第六台支架上部顶煤流动Fig.6Top coal flow on the sixth support（c）第三台支架放煤结束（d）第六台支架放煤结束（a）起始位置（b）第一台支架放煤结束-1170体的边界与煤矸分界线相切.2.2.2单轮间隔放煤由图7可知，选择单轮间隔放煤方式，在一轮放煤过程中，两次放煤所放出的煤量相差很大，基本上打开双号支架放煤口时，放出的煤量非常少（如图（c）所示，黑色部分为单号支架放出煤量，零星的红色部分为双号支架放出煤量）.在整个放煤过程中，煤损主要集中于单号放煤口间形成的漏斗煤损.整个工作面中，中间支架顶煤放出率较高，两端支架放出率较低.推断其原因，由于两端支架上部顶煤在放出过程中受到破碎顶板所形成的矸石挤压效果明显，因此流动性较差.2.2.3多轮间隔放煤由图8可知，多轮间隔放煤方式通过支架多轮交替放煤，部分弥补了在单轮间隔放煤过程中产生的漏斗煤损，但由于将放煤过程分为多轮，提高了混矸的可能性，根据见矸关门的原理，又可能造成煤炭不能充分放出，且操作过程较为复杂，人为因素影响较大，因此在现场实际操作中并未得到广泛应用.（a）单号支架放煤结束（b）双号支架放煤结束图7单轮间隔放煤顶煤流动Fig.7Top coal flow of single round interval coal drawing（c）放出体图8多轮间隔放煤顶煤流动Fig.8Top coal flow of multi round interval coal drawing（c）双号支架放煤结束（d）放出体（a）双号支架放一半（b）单号支架放煤结束引用格式：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.-1171第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月3煤矸流场研究煤矸流场规律既可以揭示放顶煤开采过程中煤矸散体介质的微观流动规律，又可以确定放顶煤开采最佳放煤工艺参数，对现场具有指导意义.3.1割煤高度选取采放比固定为1 2的建模条件，建立以采高为单一变量的数值模型.通过观察不同采高下的煤矸流动场（图9）以及煤矸分界线变化（图10）可以看出，随着采高的增大，煤矸分界线逐渐变陡，分析其原因：由于放煤过程中形成的放煤漏斗被顶板破碎所形成的矸石充填，而上部顶煤受矸石挤压效果明显，运动幅度受到限制，下部散体顶煤和破碎矸石组成的松散介质流优先从阻力最小的路径放煤口转移，所形成的煤矸分界线随着采高增大会逐渐变陡.此时，破碎煤矸所形成的散体介质流在运动方向上的重力分量增大，导致放煤过程中煤矸流速变大，因此随着采高增大，工作面放煤速度加快，混矸程度加剧，该特点在现场实际中也得到验证.如图11所示，随着采高的增大，放煤接触力场也相应变得复杂，越是处于上部的顶煤与破碎顶板的接触力越明显，即作用力越大.放顶煤开采过程中，在顶煤散体的内部接触力场形成一个规律：当支架的放煤口打开，顶煤散体在不断放出的同时，在放煤口附近形成一个不断动态扩散接替的压力拱，压力拱的前拱脚和后拱脚分别作用在支架尾梁9.08.07.06.05.04.03.02.01.00垂直距离/m394041424344454647水平距离/m3.5 m3.0 m2.5 m2.0 m4.0 m图10不同采高下的煤矸分界线Fig.10Coal gangue boundary under different mining heights（a）采高2.0 m（b）采高2.5 m（c）采高3.0 m图9不同采高下的煤矸流动形态Fig.9Flow pattern of coal gangue under different mining heights（d）采高3.5 m（e）采高4.0 m-1172和后方低位煤体中，而拱内部待放出的煤体由于接触压力很小，故形成免压区.随着拱内顶煤不断地流出释放，压力拱破坏、上移、再破坏，可以总结为顶煤冒放的过程就是一个压力拱不断形成与破坏的过程.3.2放煤步距研究大采高综放开采在不同放煤步距下煤矸分界线的变化规律，此处主要考虑两刀一放和三刀一放两种情况.通过观察对比容易发现，由于放煤步距增大，一次所放出的煤量增加，且移架后的煤矸分界线斜率变小.考虑其原因，在移架过程中，破碎顶煤主要向下移动，填补支架原有的部分空间，因此煤矸分界线变化主要表现为支架部分向下移动，而随着放煤步距增大，如图12所示.图12（a）中曲线步距从右至左分别为0.6、0.8、1.0 m，顶煤整体向下移动趋势增大，因此导致煤矸分界线斜率变小.图12（b）中虚线部分从右往左分别为第一刀、第二刀、第三刀移架后的煤矸分界线，实线部分为放煤结束时的煤矸分界线.在移架放煤的过程中，移架后和放煤后的煤矸分界线分别与顶煤的始动线对比，双线的形态逐步前移，且变化规律基本不变.4矿压显现规律顶煤分区现象是超前支承压力分布的宏观表象，因此研究顶煤分区现象具有重要意义.现场实际测量虽能取得一定的效果，但易受经济、地质、技术等因素的影响.因此通过实验室数值模拟计算，模拟不同条件下的顶煤分区现象，以期从中得出一般规律.图12不同放煤步距煤矸分界线Fig.12Coal gangue boundary at different coal drawing steps（a）两刀一放（b）三刀一放0.6m 0.8m 1m 1086420垂直距离/m3638404244464850水平距离/m0.6 m0.8 m1.0 m第一刀 第二刀 第三刀 煤矸分界线 1086420垂直距离/m25303540水平距离/m第一刀第二刀第三刀煤矸分界线（a）采高2.0 m（b）采高2.5 m（c）采高3.0 m图11放出散体顶煤接触力场Fig.11Contact force field of loose top coal released（d）采高3.5 m（e）采高4.0 m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.-1173第41卷 第8期河 南 科 学2023年8月4.1煤层赋存条件不同图13为不同硬度条件下的顶煤冒放模拟，结果分析如下：1）顶煤较软条件下，在模拟范围内，顶煤仅存在散体流动区，拉剪破坏区.2）顶煤中硬条件下，在模拟范围内，顶煤分为散体流动区，拉剪破坏区，压缩变形区.3）顶煤坚硬条件下，在模拟范围内，顶煤出现完整的分区现象，散体流动区范围约为4.8 m，拉剪破坏区的范围约为9.6 m，压缩变形的范围约为14.03 m.因此作出如下推断，随着顶煤的硬度增大，顶煤分区中各个区域范围逐渐缩小，既支承压力分布范围愈小，峰值点距煤壁愈远.4.2顶板赋存条件不同由数值模拟结果（图14）可以看出，顶板硬度的变化对顶煤分区现象影响不大.但随着顶板硬度增大，顶板出现大面积悬臂，容易出现剧烈来压，需要及时防止，可采取人工落顶方式.4.3采放比不同由图15可知，随着采放比增大，顶煤受采动破坏程度加剧，各分区范围逐渐增大，即支承压力分布范围愈大，峰值点距煤壁愈远.推断峰值点前移的原因，由于存在较低强度顶煤.因此，在生产过程中应加大超前支护距离、加强煤壁片帮治理与管理工作.（a）软弱顶板（b）中硬顶板图14顶板不同硬度条件下顶煤分区Fig.14Top coal partition under different hardness conditions of roof（c）坚硬顶板（a）软弱煤层（b）中硬煤层图13煤层不同硬度条件下顶煤分区Fig.13Top coal partition under different hardness conditions of coal seam（c）坚硬煤层-11745结语根据某矿1302N大采高工作面实际情况，建立相应的数值计算模型，包括工作面倾向、走向两种.对不同采高、不同放煤步距，不同放煤工艺等情况下的顶煤冒放运移形态进行了模拟，分析了煤矸流动场的变化规律.最后针对现阶段存在的急倾斜放顶煤工作面顶煤流动规律进行了着重研究，并得出以下规律：1）走向方向上，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.放煤步距的增大导致顶煤运移范围扩大从而影响顶煤始动点边界线前移，倾向方向上，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，且根据不同的地质条件选择合理的放煤方式，对提高顶煤采出率具有重要意义.2）模拟不同采高下的煤矸流动场以及煤矸分界线变化可以看出，随着采高的增大，煤矸分界线逐渐变陡.大采高综放条件下，随着放煤步距增大，煤矸分界线始终保持双线形态前移.放煤的过程相当于顶煤和矸石的松散介质流之间形成的压力拱在放煤口附近不断形成与破坏的过程.3）随着顶煤的硬度增大，顶煤分区中的各个区域范围逐渐缩小，即超前支承压力峰值区向煤壁靠拢；顶板硬度的变化对顶煤分区现象影响不大，但如果将老顶理解为一层一层分布，会出现顶板砌体梁结构；如果将老顶理解为一个整体，则会出现类似顶板铰接梁结构；随着采放比的增大，超前支承压力峰值区远离煤壁.参考文献：1 王家臣.厚煤层开采理论与技术 M.北京：冶金工业出版社，2009：2-6.2 郑德志，任世华.我国煤矿安全生产发展历程及演进趋势 J.能源与环保，2019，41（11）：1-6.3 乌荣康.高产高效矿井建设现状及发展趋势 J.中国煤炭，2003，29（10）：7-8.4 徐玉学.应用综放开采技术建设高产高效现代化矿井 J.煤炭工程，2006，38（4）：35-37.5 任风玉.随机介质放矿理论及其应用 M.北京：冶金工业出版社，1994.6 万军伟.综采工作面应力场分布规律研究 J.能源与环保，2019，41（9）：154-157.7 苏高鹏.上覆煤层开采围岩变形规律研究 J.能源与环保，2019，41（9）：170-172，176.8 宋晓波，王鹏宇.综放工作面顶煤放出体形态理论研究 J.煤炭科学技术，2014，42（8）：12-14.9 王家臣，张锦旺，陈祎.基于BBR体系的提高综放开采顶煤采出率工艺研究 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