基于PFC2D的綜放工作面放煤步距研究

胡 燏

(樂山職業技術學院，四川省樂山市，614000)

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基于PFC2D的綜放工作面放煤步距研究

胡 燏

(樂山職業技術學院，四川省樂山市，614000)

為了確定成莊煤礦2200綜放工作面合理的放煤參數，本文依據散體介質相似理論和現場數據，運用PFC2D(散體顆粒流)數值模擬軟件的試驗方法，研究不同放煤步距對頂煤移動放出規律、煤巖流動軌跡以及頂煤的回收率和含矸率的影響。通過模擬得出最優的放煤方式，在此基礎上運用PFC軟件模擬分析選擇最佳的放煤步距。結果表明，2200工作面最優放煤方式為兩采一放，最佳的放煤步距為1.6 m。

放頂煤開采 PFC2D 放煤參數優化

在綜放工作面的開采過程中，放煤工藝是重要的環節之一，選擇合理的放煤方式和放煤步距是提高工作面產量、提升原煤品質和煤層采出率的重要措施。我國煤層賦存狀態及地質情況復雜多樣，不同產區的頂煤強度、硬度等均有差異，導致頂煤冒放性千差萬別，并且頂煤極易受到放煤方式和放煤歩距的影響，所以在進行放頂煤工作時一定要選擇合理的放煤方式和放煤歩距。根據煤層實際賦存狀況，通過數值模擬研究，取得理想的放煤參數，對實現煤礦生產的高產高效有重要意義。成莊礦是晉煤集團的主力礦井，目前開采山西組3#煤層，采用放頂煤開采方法。

1 PFC模擬軟件簡介

PFC(Particle Flow Code)系列軟件是由ITASCA咨詢集團開發的顆粒流分析程序，分為PFC2D和PFC3D兩種。它是一種可用于模擬不同形狀、大小的二維圓盤或三維球體集合體的運行及其相互作用的強大顆粒分析程序。除了模擬大體積流動和混合材料力學研究，程序更適合用于固體材料中微觀或者宏觀裂紋擴展、破壞累積并斷裂、破壞沖擊和微震響應等高水平課題的深化研究。PFC軟件的可選模塊有溫度分析模塊、流體分析模塊、并行計算模塊、本構自定義模塊。PFC程序的基本原理是圓盤/球狀顆粒系統的運動和相互作用通過時間追趕法進行求解。PFC采用中心差分方法在整個時間領域內對顆粒運動方程進行積分運算，并確保解的精度及其穩定性，即所謂的動態求解方法，即便對于準靜態系統仍然使用該方法進行求解。動態求解方法的突出優勢在于處理物理不穩定系統和路徑相關問題時，不會出現解的不穩定性。PFC即顆粒流程序，是通過離散單元方法來模擬圓形顆粒介質的運動及其相互作用。

在放頂煤工藝中，可以將頂煤堆積、釋放狀態當做顆粒破裂、發展和散體流動的過程，因此可以選擇PFC軟件作為數值模擬軟件。由于受到礦壓的影響，頂煤在從初始點運移到放煤口的過程中會由完整體變為散落體，在受到支架掩護梁、頂煤破斷線和冒落體堆積邊界等作用情況下，當支架放煤口被打開后，發現這些散落的煤體會匯聚成一股散體流。綜放開采頂煤冒落形態如圖1所示，在綜采工作面中，直接頂和頂煤產生破裂，煤塊轉變成松散煤巖體，其運動情況可視作散體運動。散體介質流實驗模型見圖2，散體頂板和散體頂煤共同構成一個復合散體介質，支架放煤口充當介質運動和顆粒間相互作用的自由邊界角色，處于支架后部和上部的煤巖松散體會以緩慢的速度流向煤口，將頂煤煤流的運動過程(即流動和放出)叫做頂煤散體介質流模型。此模型主要用于分析頂煤煤體的運動情況。

圖1 綜放開采頂煤冒落形態圖

2 放煤步距研究的模型建立

以成莊礦2200工作面為研究模擬對象，分析煤儲層的地質條件，建立數值模型。煤層厚度約6.6 m，埋深約200 m，采高為2 m，采放比為1∶2.3，模型介質由頂板矸石和頂煤兩部分構成，將頂煤劃分成上中兩層，設定煤體容重、法向剛度、切向剛度值分別為14000 kN/m3、2.0×108N/m、2.0×108N/m，矸石的容重、法向剛度、切向剛度值分別為25000 kN/m3、4.0×108N/m、4.0×108N/m，選取放煤口的直徑為700 mm。

根據該煤層的實際賦存情況，建立初始模型，如圖3所示。

圖2 散體介質流實驗模型

圖3 初始模型示意圖

模擬采用3種方法對煤層模型進行放煤，即當放煤歩距為0.8 m時，采用一采一放；當放煤歩距為1.6 m時，采用兩采一放；當放煤歩距為2.4 m 時，采用三采一放。

3 放煤步距研究模擬的過程分析

在描述煤體運動過程時，會涉及到煤矸流動情況和煤巖分界線。煤體運移過程中，支架不斷向前移動，導致原來的支架放煤口和煤巖位置產生相對位移。支架改變位置后，其斜后方和上方的煤體因喪失支架的支撐力會向前下方運移，占據了原來支架所在位置和空間，致使放煤邊界線改變。放煤的初始邊界線是指支架經過位移后，原有前部煤巖的分界線會成為下次放煤的邊界線。放煤的過程就是放煤初始邊界線不斷改變更替的過程，直到工作結束時，將最后的放煤界線叫做放煤停止邊界線。改變支架位置，再重復上述工作。放煤量是放煤初始邊界線至停止邊界線內的煤的總量。在放煤的過程中，因為頂煤運動情況的不確定性和放煤歩距大小等因素的影響，其中部分頂煤無法放出，形成了步距損失。

在開采實體煤層時，由于前方煤層質地均勻，地質條件穩定，放煤歩距的改變基本不會影響到頂煤的運移。未受人工影響的煤區稱為原始煤區；支架上方出現的冒落區稱為散體冒落區；因煤體的運移及煤巷的破壞出現拉斷破壞區、剪切破壞區和壓縮變形區。頂煤在散體冒落區運動量最大，出現明顯的位移，主要呈垂直方向移動。

一采一放推進到第5刀時，頂煤運移圖見圖4。對于一采一放的開采工作，放煤口的水平投影長度大于放煤歩距，頂部煤體超過預定時間提前移動到放煤口，當移動至一半高度時，煤體流動速度放緩，中間位置的頂部煤層從放煤口中迅速流出，對于后面的矸石運移速度要比上部矸石向下運動的速度快，所以后面的矸石率先移動到放煤口，在放煤工作初始時放煤口有矸石的出現，但并不影響放煤工作的繼續，一旦后部大量矸石和煤體運移到放煤口并將其堵塞時，需馬上停止放煤工作。

兩采一放推進到第5刀時，頂煤運移圖見圖5。對于兩采一放的開采工作，放煤口的水平投影長度略小于放煤歩距，煤矸運移速度緩慢，放煤口的煤體和支架上的頂煤幾乎在同一時間移動到了放煤口。

三采一放推進到第5刀時，頂煤運移圖見圖6。對于三采一放的開采工作，放煤口的水平投影長度小于放煤歩距，每次放煤口放出的煤總量相對較大，放煤的初始邊界更傾向于采空區，整體跨度范圍廣。處在位置靠后的煤層下面是質地堅硬的矸石和底板，導致此位置的煤體流動不便，速度較慢。對于距離放煤口較近的下方頂煤，由于受到自身的重力和后部矸石向前推移的推力，頂煤會不斷向放煤口移近直至放煤口。由于在運移過程中后部矸石會頂替原有頂煤所在位置，此時會形成一個不易放煤的三角煤區。與中部煤層和位于放煤口上部的煤層相比，后者的煤體流動速度更快，流動空間更寬廣，最先到達放煤口，對于提前流動的頂部煤層區域，總流出量較少，在中部區域的上部矸石會向下凹，呈現一個凹面。當頂煤不斷流出時，處在中部位置的頂煤會被上部矸石代替，直至流動到放煤口。煤體的這一運動會導致兩側煤體無法正常放出，中部矸石阻礙了放煤工作的進行，此時只能暫停工作，避免造成更大的經濟損失。

圖5 兩采一放頂煤運移圖

圖6 三采一放頂煤運移圖

4 放煤步距模擬的結果分析

通過數值模擬分析結果可知，研究開始位置到工作面推進11 m時的這段距離就可以得出不同的放煤方式產生的最終效果。

在采用不同的放煤方式開采實體煤時，改變放煤歩距時，頂煤的總位移距離都是9.6 m，一采一放的放煤步數為12次，兩采一放的放煤步數為6次，三采一放的放煤步數為4次，共動用41.86 t頂煤儲量，3種放煤方式放煤效果如圖7所示。

在采用一采一放方式進行開采工作時，設定的放煤歩距為0.8 m，放煤口的水平投影長度大于放煤歩距，當在放煤口出現矸石后繼續放煤工作，直至放煤口位置的煤體總量為矸石總量的兩倍時需馬上停止工作，盡力保證將頂煤的損失降到最低，總的放煤量達到37.18 t，含矸率相對較高，為25%～45%，頂煤的放出率達到88.8%。若要保證放煤率越高，則采出的煤炭中含矸率越高，煤體質量越差。若要保證放出煤的質量，則煤體的總放出量則降低。

圖7 3種放煤方式放煤效果對比

在采用兩采一放方式進行開采工作時，設定的放煤歩距是1.6 m，放煤口的水平投影長度小于放煤歩距，總的放煤量達到35.97 t，含矸率為13%，頂煤的放出率達到85.9%。與一采一放的開采方式相比，頂煤放出總量有所降低，但煤體質量大大提高。此方式可保證煤體放出量和含矸率的最大優化。

在采用三采一放進行開采工作時，設定放煤歩距是2.4 m，放煤口的水平投影長度小于放煤歩距，總的放煤量達到31.61 t，含矸率達17%左右，頂煤的放出率達到78%。與兩采一放的開采方式相比，煤體的放出量大大降低，放出煤體的質量也變差。若要保證產量同一采一放方式的煤產量相同時，煤體含矸率則不達標；若要保證煤體質量同兩采一放方式的煤質相同時，則煤的放出總量會明顯減少。

綜上所述，在開采實體煤的過程中，要權衡煤體含矸率和放出率兩個方面，確定合理的放煤歩距，保證收益最大化，分析3種開采方式和采出結果可知采用兩采一放的方式最合理。

5 結論

綜合分析3種采煤方式可知，兩采一放的采煤方式的煤體放出量和煤質都相對理想。結合2200工作面煤層的實際情況，最合適的采煤方式為兩采一放，設置放煤歩距為1.6 m。本文針對該工作面的煤層賦存狀況提出了合理的放煤參數，實現了工作面生產的高產高效，同時為類似地質條件工作面放煤步距的選擇提供了一定借鑒。

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(責任編輯 郭東芝)

Research on coal caving step distance at fully mechanized caving face based on PFC2D

Hu Yu

(Leshan Vocational & Technical College, Leshan, Sichuan 614000, China)

In order to determine the reasonable coal caving parameters in 2200 fully mechanized caving face in Chengzhuang Coal Mine, based on granular media theory and field data, the author studied the influence of coal caving step distance on top coal caving rules, coal-rock flow track, top coal recovery and refuse content by using PFC2D (granular particle flow) test method. By numerical simulation, the optimal caving way was achieved as "mining twice and caving once", and based on which the best caving step distance was determined as 1.6 m.

top coal caving mining, PFC2D software, coal caving parameters optimization

國家科技支撐計劃課題( 2012BAB13B02)

胡燏. 基于PFC2D的綜放工作面放煤步距研究[J].中國煤炭，2017,43(3)：70-73. Hu Yu. Research on coal caving step distance at fully mechanized caving face based on PFC2D[J]. China Coal, 2017,43(3):70-73.

TD823.2

A

胡燏 (1978-)，男，重慶忠縣人，碩士研究生，副教授，研究方向為計算機網絡、物聯網技術。