缓倾斜厚煤层综放开采顶煤采出率数值模拟

作者:谢耀社;宋晓波;胡艳峰;秦健 刊名:煤炭科学技术 上传者:余国栋

【摘要】建立了缓倾斜厚煤层综采长壁放顶煤二维颗粒流模型(PFC2d,Particle Flow Code-2d),根据实际生产情况,设计了16个正交实验。通过对试验数据进行回归分析,得出了顶煤厚度、顶煤垮落角、放煤步距、支架尾梁摆角与顶煤采出率的关系;运用方差分析法,将4个因素对顶煤采出率影响的显著性进行了研究,得出了顶煤垮落角对顶煤采出率影响特别显著,顶煤厚度、支架尾梁摆角对顶煤回收率影响比较显著,放煤步距对顶煤采出率的影响显著性较小的结论。

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在开采缓倾斜厚煤层、急倾斜特厚煤层时,放顶煤采煤法是一种常用的采煤方法。该方法具有单产高、效率高、消耗低且系统简单等优点[1-5],但回采率偏低一直是困扰该采煤方法的难题。综放工作面影响放顶煤采出率的因素有:放顶煤初采损失、端头损失、末采损失、放煤工艺损失[6-9]。其中放煤工艺损失约占总损失的86%~1673%[10]。所以研究顶煤厚度、顶煤垮落角、支架选型(主要分析支架尾梁摆角)和放煤步距与顶煤采出率间的关系具有很大的现实意义。1PFC2d模型及有关参数低位放顶煤采煤法的实质就是在厚煤层沿底部布置一个采高2~3m的长壁工作面,用常规方法进行回采,并利用矿山压力作用或辅以松动爆破等方法,使支架上方的顶煤破碎成散体后,由支架后方的放煤口放出,如图1所示[7,11]。图1低位放顶煤工作面剖面根据上述关系,建立了缓倾斜厚煤层综合机械化低位放顶煤长壁采煤法一次采全厚二维颗粒流模型(ParticleFlowCode-2d),如图2所示。国际上通常将ParticleFlowCode-2d简写为PFC2d,因此,本文便以简称PFC2d代替全称[12]。机械化采煤高度为25m。模型以中间四架顶煤的放落过程为研究对象,初放、末放不予考虑。煤块用黑色小球代替,矸石用白色小球代替,见到矸石关闭放煤口。但是,当煤中混入少量矸石或者个别大块矸石时,则允许继续放煤,这样在不影响煤质的情况下可以提高采出率。图2低位放顶煤PFC2d模型影响顶煤采出率的因素很多,而在顶煤充分破碎的条件下,影响缓倾斜厚煤层顶煤采出率的主要因素有:顶煤厚度h、顶煤垮落角、放煤步距l、液压支架尾梁摆角以及煤层倾角。本文所建立的缓倾斜厚煤层综放低位放顶煤长壁采煤法一次采全高PFC2d模型只能模拟工作面的剖面,随着工作面的推进,模型沿直线推进,煤层倾角不能表现出来。所以主要分析前4个因素对顶煤采出率的影响,各取值范围如下:1)顶煤垮落角。由于不同地区、不同矿井煤体的赋存条件不同、力学性质不同,所以顶煤放落时垮落角变化较大。煤层相对较硬时,垮落角较小;顶煤较软时,垮落角较大。因此本文对顶煤垮落角取了70,85,100,115四个值作为研究范围。2)顶煤厚度h。在不同地区,不同矿井或不同采区,煤层厚度往往多变。本文对顶煤厚度h取了2m,5m,8m,11m四个值作为考察对象。3)放煤步距l。有的综放面为两刀一放,有的为一刀一放。又由于各种采煤机的滚筒直径不尽相同,所以不同的综放面的放煤步距也不尽相同。本文试验对放煤步距l取了06m,08m,10m,12m四个值作为分析范围。4)液压支架尾梁摆角。液压支架有很多类型,用于低位放顶煤的液压支架也有若干种,并且尾梁摆角也有变化。本文试验对液压支架尾梁摆角取了30,40,50,60四个值为分析对象。2PFC2d模拟试验设计在顶煤充分破碎的条件下,由于缓倾斜低位综放顶煤采出率主要受到h,,l,等4个因素的影响,如果用全面试验的方法来检验每个因素对顶煤采出率影响的工作量将会很大。为此,采用了正交设计的方法来安排试验。考虑了4个因素,每个因素取了4个水平。因此,选用L16(45)比较合适[13]。试验安排见表1。表1正交设计试验安排序号/()h/m/()l/m顶煤采出率/%170230066392705400863637085010605470116012415585240127616855301080178586008513885115006619910025008877101005600662211100830126811210011401075513115260108

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