基于PFC2D對煤柱工作面綜放工藝優化分析

高李王

(山西煤炭運銷集團錦瑞煤業有限公司，山西 呂梁 033000)

本文以王莊煤礦為例,因其采煤法為長壁綜合采煤法,選用在煤層內開掘采區巷道,當工作面開采完成后,在采區內仍殘留有大量的護巷煤柱[1-2],造成超過1 700萬t煤炭的損失。殘留煤柱地質條件較為穩定,積極回收可用煤柱,可增加礦井收益,減少資源浪費,具有重要意義。43M1煤柱工作面主采3#煤,平均煤厚6.8 m,平均煤層傾角為3°,埋深218 m～252 m,煤層底板所含矸石較為穩定,43M1煤柱工作面絕對瓦斯涌出量為6 m3/min,屬低瓦斯礦井。由于工作面長度較短,在煤層開采兩端頭處頂煤回收率較小,本文主要采用離散元數值模擬軟件PFC2D顆粒元程序對開采時頂煤的破碎運移規律進行模擬,對綜放工藝參數進行優化[3-4]。

1 數值模擬頂煤的放出率

離散元軟件PFC2D主要用來模擬圓形顆粒之間相互作用與顆粒運動,將模擬物體分為數百顆具有代表性的顆粒,利用顆粒之間的介質特性得出模擬物體的力學特性進而解決包含復雜變形方式的真實問題。放頂煤的過程中煤巖體與破碎的頂板已表現出松散介質特性,不能傳遞煤層覆巖在運移后的壓力,但是在自重的作用下向下垮落,故可視為松散塊體的流動過程,因此選用離散元軟件PFC2D模擬放頂煤破碎垮落規律較為合理[5-6]。此軟件在放頂煤中主要有兩方面的研究:一是對煤層上方巖層的宏觀運動形式與礦壓顯現的分析,二是對微觀情況下顆粒體之間的運動模式。

1.1 放煤方式對放出率的影響

為研究不同放煤方式時頂煤放出率的變化,利用PFC2D建立以43M1煤柱工作面為模型,在模型中分別設置三種放煤方式(雙輪順序、單輪順序與單輪間隔),對頂煤放出率模擬結果如圖1與表1所示。

1-a 雙輪順序

1-b 單輪順序

1-c 單輪間隔

表1 不同放煤方式頂煤放出率對比表

通過模擬可得:三種放煤方式之中,不同放煤方式會引起不同的頂煤與破碎矸石的運移情況,雙輪順序頂煤放出率比單輪順序頂煤放出率高出1.8%,比單輪間隔頂煤放出率高出5.1%,為三種方式中頂煤放出率最大的,故選用雙輪順序放頂煤。

1.2 放煤步距對放出率的影響

在采煤工作面,放煤步距的不同對頂煤的放出率也具有一定影響。利用PFC2D建立以43M1煤柱工作面為模型,在模型中分別設置三種放煤步距(一刀一放、二刀一放和三刀一放),對頂煤放出率模擬結果如圖2與表2所示。

2-a 一刀一放

2-b 兩刀一放

2-c 三刀一放

表2 不同放煤步距頂煤回收率對比表

通過模擬可得:

1)如圖2所示,采用一刀一放時,僅在煤層上方老頂中部出現彎曲下沉,模型頂部巖層下沉趨勢較為平滑緩和,破碎煤體在整體破碎巖石中占比較大;采用兩刀一放時,老頂破斷情況發育至模型端部,模型頂部出現破斷,與之相比三刀一放的破斷程度加劇,模型頂部出現臺階式下沉,但是這兩種放煤方式均會使煤損增高,含矸率增加。

2)如表2所示,設置0.8 m、1.6 m與2.4 m三種放煤步距,相對于前者的放煤步距,后兩者的放煤步距頂煤放出率分別減少3.91%與10.75%,步距顯著增大,頂煤放出率卻在減小,0.8 m為合理方放煤步距。

故在43M1煤柱綜放面條件下,選用0.8 m的放煤步距采用一刀一放的放煤方式。

因此,由PFC2D數值模擬程序可將頂煤的放出方式選為雙輪順序,將頂煤的放煤步距選為一刀一放的循環工作方式。

2 高效回采工藝技術研究

2.1 開采工藝參數實測分析

1)采煤機運行速度

因為在井下煤巖體開挖過程中會面臨眾多因素限制,采煤機在割煤時始終處于時快時慢時開時停的狀態。根據現場實測數據,采煤機的割煤狀態較為隨機,正太分布可描述采煤機的割煤速度。圖3為43M1工作面采煤機工作時的運行速度直方圖,割煤時可采用平均行進速度5 m/min,可用μ=5 m/min,δ=0.92 m/min描述。

圖3 采煤機運行速度直方圖

2)支架移架速度

綜合放頂煤的支架移架速度在監測后發現也為隨機變量,利用正態分布對其進行分析。圖4為43M1工作面支架移架速度分布圖,可用測得均值μ=5.2 m/min,δ=0.54 m/min來描述。

3)端頭等待時間

因綜放工作面切眼處測得長度為71.7 m,采煤機采用兩端部斜切進刀的方式在左右兩側進刀,隨后待其余工序全部完成后,開始進行工作,這就導致端頭等待時間不等,負指數分布可描述其規律。圖5為采煤機端頭等待時間直方圖,可用均值λ=15.15 min。

圖4 支架移架速度分布圖

圖5 采煤機端頭等待時間直方圖

4)放煤時間

煤層的厚度、硬度、結構、放煤作業的方式及其他人為因素都可對放煤時間產生干擾。可采用正態分布對放煤時間進行描述。圖6為單架放煤作業時間分布直方圖,可用μ=0.5 min,δ=0.31 min表示。

圖6 支架放煤作業時間分布直方圖

5)刮板輸送機推移速度

在對刮板輸送機的推移速度采用從正態分布描述后,測得工作面前部刮板輸送機的推移速度為μ前=7.01 m/min,δ前=0.79 m/min表示;后部刮板輸送機的推移速度可用μ后=6.48 m/min,δ后=0.64 m/min表示。

6)工作面開機率K平均μ=0.82,δ=3.5,圖7為工作面主要故障分布直方圖。

根據以上實測數據可得出,在滿足5 540 t為工作面日產要求的前提下,所使用的各個器械可在平均參數內正常穩定運行,但割煤速度和放煤速度的方差值較大,其相互作用影響后會導致刮板輸送機及轉載機的過載運行。在工作面日產量增加后,各工序之間也應調整,保證正常生產,增加平均值。

1-外部環節;2-刮板輸送機前;3-刮板輸送機后;4-采煤機;5-轉載機;6-液壓系統;7-其它

2.2 采煤機割煤工藝方式優化

采煤機的運行速度會直接影響工作面的日產量,端頭等待時間過長也會影響工作面的采煤效率,所以這兩個因素對采煤機割煤方式有很大影響。雙向割煤優點是可以減少工作面的一個空行割煤時間,提高效率;單向割煤優點為端頭等待時間短,利于工作面裝煤、移架。相對于單向割煤,雙向割煤在工作面長度增加后,更具優勢。

圖8是根據43M1煤柱綜放工作面不同割煤方式下其應速度的關系循環變化曲線。圖像表明,在采煤機采煤速度低于3.9 m/min時,雙向采煤方式采煤效率較高,出煤量較大,反之,在采煤機采煤速度高于3.9 m/min時,雙向采煤方式采煤效率略低于單項采煤方式。因43M1煤柱綜合放頂煤工作面采煤機所測得的平均割煤速度為4.8 m/min,所以單向割煤端部斜切進刀割煤工藝方式更利于作為工作面的出煤方式。

圖8 V-T關系曲線

3 結論

1)在使用PFC2D數值模擬程序對多種放煤步距與放煤方式的對比分析后,結合多種因素,為使頂煤放出率最大,工作面采用雙輪順序放煤、一刀一放,放煤步距為0.8 m。

2)通過現場實測數據,進一步分析了單向割煤與雙向割煤的利弊,43M1綜放工作面的開采工藝采用單向割煤端部斜切進刀的方式將更利于出煤。