急倾斜特厚煤层水平分层综放效果模拟分析(无全文)

作者:李福胜 刊名:煤炭工程 上传者:

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【摘要】水平分层综放开采是实现急倾斜特厚煤层安全高效开采的重要手段,由于急倾斜煤层水平分层高度一般较大,顶煤运移规律一般不同于近水平煤层。结合阿刀亥矿急倾斜特厚煤层综放开采工程实践,应用数值模拟软件PFC进行模拟计算,研究了不同采放比和不同放煤步距对顶煤回收率的影响,优化了采煤工艺。

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关于顶煤放出规律的研究,在放顶煤开采技术兴起之初就进行了较多的研究,其中主要是借鉴和应用金属矿的放矿椭球体理论[1]。对于目前广泛使用的低位放顶煤综放开采而言,顶煤放出过程与金属矿的放矿过程有本质差异,这必然导致金属矿的椭球体放矿理论在放煤过程中适用性受到限制。在放煤过程中,破碎的顶煤和矸石会以阻力最小的路径逐渐向放煤口移动,形成散体介质的流动场。在急倾斜煤层中,散体介质流又表现出了新的特点。本文运用数值模拟方法,研究阿刀亥矿1203工作面不同层位顶煤的放出规律、高采放比顶煤的回收率,以及不同放煤步距顶煤的放出率和混矸率,并揭示急倾斜特厚煤层水平综放开采散体顶煤的一些内在规律。1工作面概况阿刀亥矿是神东包头矿业集团公司主采矿井。1203工作面位于1155水平西一石门之东,上部为西一采区1218工作面采空区。西一石门以西+1260m以下由于存在火区未采,工作面以东为井筒保护煤柱。本工作面煤层为稳定煤层,煤层厚度自煤门由西至东逐渐变厚,煤层结构极复杂,含夹矸层较多,层位、厚度均不稳定,其中煤门附近有一层夹矸厚度达25m,岩性为砂岩,在煤门以东260m处夹矸层尖灭,煤层变薄。工作面走向长度500m,倾斜长度16m;煤层厚度23~39m,平均25m,煤层倾角平均80,硬度为15。工作面采用水平分段放顶煤开采,水平分层高度17m,割煤高度25m,顶煤从支架尾梁放煤口放出。2散体介质流理论散体介质流理论是王家臣教授2001年首次提出来的。该理论是基于低位放顶煤开采大量的实验基础上提出的[2-3],它充分考虑了放煤过程中支架尾梁的影响,由于支架倾斜尾梁的存在,放煤时顶煤的重力场与运动场不一致,这与漏斗放矿的重力场与运动场一致有本质区别;另外,放煤时是在完成一个放煤循环后,支架要前移,在移架过程中,顶煤会向下运动,下一个放煤循环是在顶煤下向移动后进行的,这和固定的漏斗放矿不同。基于上述两点的根本差异,进行了模拟现场的放煤实验,提出了顶煤放出的散体介质流理论。该理论实质是在由散体顶煤与散体顶板组成的复合散体介质中,支架放煤口成为介质流动和释放介质颗粒间作用力的自由边界,支架上部和后部的散体会以阻力最小的路径逐渐向放煤口移动,散体介质内形成了类似于牵引流动的运动场,如图1所示[4]。该理论是以顶煤流动放出的最终形态作为估计放出煤量等,具有直观的特点。图1放煤终止时的状态3水平分层综放模拟效果分析31PFC程序简介PFC是颗粒流程序,既可以模拟圆形颗粒的运动,也可以通过两个或多个颗粒与其直接相邻的颗粒连接形成任意形状的组合体来模拟块体结构问题。PFC中颗粒单元的直径可以是一定的,也可以按高斯分布规律分布,单元生成器根据所描述的单元分布规律自动进行统计并生成单元。通过调整颗粒单元直径,可以调节孔隙率,通过定义可以有效地模拟岩体中节理等弱面。颗粒间接触相对位移的计算,不需要增量位移而直接通过坐标来计算。颗粒流方法在模拟过程中作了如下假设:颗粒单元为刚性体;接触发生在很小的范围内,即点接触;接触特性为柔性接触,接触处允许有一定的“重叠”量;“重叠”量的大小与接触力有关,与颗粒大小相比,“重叠”量很小;接触处有特殊的连接强度;颗粒单元为圆形(球)。32模型建立依据该矿1203工作面煤层赋存、顶底板条件,沿工作面推进方向建立PFC放煤模型。水平分层厚度17m,割煤高度25m。根据本试验的实际情况,确定有效试验距离为90~100cm,模拟的实际距离为18~20m之间,能够基本反映流动与放出规律。考虑目前现场常用的放煤工艺方式,本试验将考虑三种工艺方式:一刀一放,两刀一放,三刀一放

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