含夾矸厚煤層綜放開采頂煤運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬

陳海波,吳祥業(yè),董玉書

(1.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150027;2.鶴崗礦業(yè)集團(tuán)公司 富力煤礦,黑龍江 鶴崗 154100)

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含夾矸厚煤層綜放開采頂煤運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬

陳海波1,吳祥業(yè)1,董玉書2

(1.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱 150027;2.鶴崗礦業(yè)集團(tuán)公司 富力煤礦,黑龍江 鶴崗 154100)

根據(jù)鶴崗富力礦含中位厚夾矸煤層地質(zhì)條件及煤的賦存狀況,應(yīng)用RFPA2D數(shù)值模擬軟件分別對-450南18-2工作面含0.5、1.0、1.5 m厚夾矸開采煤體的運(yùn)移情況進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明,采動過程中,上部頂煤垂直方向的位移量均大于下部,而下部頂煤始動點(diǎn)距工作面的距離均大于上部。夾矸層強(qiáng)度與煤層強(qiáng)度既定情況下,工作面頂煤的運(yùn)移規(guī)律及破碎程度均與含夾矸層的厚度相關(guān)。含1.0 m厚夾矸頂煤總位移量大于含0.5、1.5 m厚夾矸頂煤總位移量;含1.0 m厚夾矸頂煤比含0.5、1.5 m厚夾矸頂煤破碎充分。該研究為含夾矸條件下厚煤層綜放開采冒放工藝的確定提供了依據(jù)。

含夾矸厚煤層;綜放開采;頂煤運(yùn)移規(guī)律;數(shù)值模擬

頂煤冒放性是開采過程中保證頂煤回收率的關(guān)鍵[1-2],而頂煤運(yùn)移是影響綜放工作面頂煤冒放性的重要因素[3]。目前,有關(guān)結(jié)構(gòu)簡單厚煤層綜放開采頂煤運(yùn)移規(guī)律的研究成果已趨于成熟[4],但關(guān)于含夾矸結(jié)構(gòu)的復(fù)雜厚煤層頂煤運(yùn)移規(guī)律的研究國內(nèi)外尚少有報道。筆者以富力煤礦-450南18-2綜放工作面為研究背景,利用RFPA2D數(shù)值模擬軟件[5-6],研究夾矸層厚度對頂煤破碎的影響以及頂煤的運(yùn)移規(guī)律,以確定合理的綜放工藝參數(shù)。

1　工作面概況

富力煤礦-450南18-2綜放工作面,走向推進(jìn)長度670 m,傾斜長100 m,煤層平均傾角29°,沿走向開采。該區(qū)平均標(biāo)高距地表垂距為730 m。工作面可采煤層被一層厚度為0.5～2.0 m的砂巖夾矸分為18-2-l煤(厚度為4.0～6.5 m,平均5.43 m)和18-2-2煤(厚度為1.4～4.5 m,平均3.0 m),平均總厚度為8.43 m,開采時支架直接接觸夾矸層,合理采高確定為3.0 m,放煤高度為5.43 m,采放比為1 ∶1.81。煤層及頂、底板柱狀如圖1所示。

2　數(shù)值模擬

2.1有限元模型

根據(jù)現(xiàn)場煤層頂板巖性的實驗力學(xué)性能參數(shù)(表1),利用RFPA2D軟件建立數(shù)值模型。該模型長度為150 m,高度為50 m。其長度方向取300個單元,深度方向取100個單元,每個單元格代表0.5 m×0.5 m。為了滿足現(xiàn)場實際,消除邊界效應(yīng),開采時在模型左、右側(cè)各留設(shè)30 m的邊界效應(yīng)范圍。-450南18-2工作面開采平均日進(jìn)3刀,每刀0.6 m,日進(jìn)尺1.8 m,根據(jù)現(xiàn)場實際開采情況,數(shù)值模擬實驗單元格設(shè)計每步開挖2 m。

圖1　富力煤礦18-2綜放面綜合柱狀圖

Fig.1Histogram of NO.18-2 fully mechanized working face of Fuli coal mine

表1　煤層及頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

2.2結(jié)果分析

2.2.1含夾矸頂煤位移情況

圖2～4顯示了工作面開采6 m時頂煤的運(yùn)移情況,通過頂煤的位移曲線分析直接頂下部0.5 m處(第一條位移曲線)與夾矸層上部0.5 m處(第二條位移曲線)之間的位移變化情況。圖中a表示第一條位移曲線前段(0～30 m);b表示第一條位移曲線后段(31～60 m);c表示第二條位移曲線前段(0～30 m);d表示第二條位移曲線后段(31～60 m)。

由圖2可以看出,在0.5 m厚夾矸情況下,第一條位移曲線Y方向位移量約為2.5 mm,X方向始動點(diǎn)大約在工作面前方30 m處;第二條位移曲線中Y方向的位移量約為1.3 mm,X方向始動點(diǎn)的位置大約在工作面前方36 m處。

由圖3可以看出，當(dāng)夾矸厚度增大至1.0 m時,第一條位移曲線Y方向位移量約為3.7 mm,X方向始動點(diǎn)大約在工作面前方33 m處;第二條位移曲線Y方向位移量約為2.0 mm,X方向始動點(diǎn)的位置大約在工作面前方38 m處。

圖2　含0.5 m中位夾矸頂煤位移

Fig.2Displacement change chart of coal cell with 0.5 m gangue

由圖4可知，當(dāng)夾矸厚度增大至1.5 m時,第一條位移曲線Y方向位移量約為2.3 mm,X方向始動點(diǎn)大約在工作面前方27 m處;第二條位移曲線Y方向的位移量為1.3 mm左右,X方向始動點(diǎn)的位置大約在工作面前方33 m處。

圖3　含1.0 m中位夾矸頂煤位移

Fig.3Displacement change chart of coal cell with 1.0 m gangue

對比圖2～4中的b和d,由縱軸數(shù)值可以看出,在采動過程中上部頂煤的垂直位移量大于下部頂煤。分析認(rèn)為,頂煤破碎是造成頂煤垂直方向上部與下部位移量不同的原因,下部頂煤的破碎增加了上部頂煤垂直位移的空間;在放煤過程中下部頂煤的垂直位移量也同樣小于上部,也說明下部頂煤在垂直方向上的活動空間小于上部。由水平方向位移可以看出,下部頂煤始動點(diǎn)距工作面的距離均大于上部,說明工作面采動對下部頂煤的影響大于對上部的。

圖4　含1.5 m中位夾矸頂煤位移

Fig.4Displacement change chart of coal cell with 1.5 m gangue

由上述分析可知,頂煤的位移累積量先隨著夾矸層厚度的增加而增大,當(dāng)夾矸層厚度達(dá)到一定程度后,位移累積量又隨著夾矸層厚度的增加有所減小。說明采動通過夾矸層對頂煤的影響與夾矸層厚度有關(guān),其影響規(guī)律也與位移累積量的規(guī)律是一致的。而頂煤的位移累積量正是頂煤破碎的關(guān)鍵,故筆者認(rèn)為頂煤的破碎程度與夾矸層厚度的關(guān)系也如同此規(guī)律。

2.2.2含夾矸頂煤破碎情況

圖5顯示了工作面開采34 m時其上方頂煤的破碎情況。含0.5 m厚夾矸和含1.5 m厚夾矸的工作面上方頂煤破碎程度均沒有含1.0 m厚夾矸工作面上方的頂煤破碎程度好,這與數(shù)值模擬實驗所得位移數(shù)據(jù)相符合。

圖5　含不同厚度夾矸工作面上方頂煤破碎情況

Fig.5Top coal fragmentation of coal seam with different gangue

比較圖5a、5b可知,含1.0 m厚夾矸工作面上方頂煤比含0.5 m厚夾矸工作面上方頂煤破碎充分,是由于夾矸層的厚度增加時,厚夾矸具有一定的支撐作用,頂煤將夾矸層產(chǎn)生的支撐力較好地傳遞給頂板,而上覆巖層的重力使得直接頂隨夾矸及頂煤保持同步運(yùn)動,直接頂產(chǎn)生分層與斷裂。

比較圖5b、5c可以發(fā)現(xiàn),隨著夾矸層厚度的增加,頂煤的破碎程度有所降低,這更加說明了夾矸層的支撐力對直接頂?shù)闹巫饔?。頂煤受到下部夾矸的支撐力與上部直接頂?shù)闹亓突剞D(zhuǎn)力共同作用,但由于直接頂?shù)闹芷诳迓洳骄嘧兌?夾矸層折斷長度增加,1.5 m夾矸工作面上方頂煤的破碎程度較1.0 m差。

實際應(yīng)用中,如果該工作面上方頂煤已破碎充分,而由于夾矸層導(dǎo)致頂煤無法放出,只要在支架之間采取注水等措施破碎夾矸,使其塊度滿足放出要求即可。而在工作面上方頂煤破碎不充分的條件下則需要進(jìn)行深孔爆破,必要時輔以注水軟化,增加夾矸和頂煤的破碎程度,以達(dá)到順利放出的目的。

3　結(jié)　論

(1)富力煤礦-450南18-2工作面上部頂煤垂直方向的位移量均大于下部頂煤垂直方向的位移量;下部頂煤始動點(diǎn)距工作面的距離均大于其上部始動點(diǎn)距工作面的距離。

(2)頂煤整體的位移量隨著夾矸層厚度的變化而變化,含1.0 m厚夾矸頂煤總位移量大于含0.5、1.5 m厚夾矸頂煤總位移量。頂煤的始動點(diǎn)距工作面距離變化情況也與此規(guī)律相符。

(3)含1.0 m厚夾矸頂煤比含0.5、1.5 m厚夾矸頂煤破碎充分,這與頂煤整體位移變化規(guī)律相一致。由此可以得出,隨著夾矸層厚度的增加頂煤破碎程度增大,當(dāng)夾矸層超過一定厚度,頂煤的破碎程度又隨著夾矸厚度的增加而變?nèi)酢?/p>

[1]王哲.含夾矸厚煤層綜放開采頂煤冒放特征及端面漏冒機(jī)理的研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2009.

[2]商鐵林.綜放工作面頂煤采出率研究[D].西安:西安科技大學(xué),2009.

[3]孟憲銳,陳海波,胡斌斌,等.放頂煤開采頂煤運(yùn)移特征及數(shù)學(xué)模型的建立[J].煤炭工程,2003(10):32-35.

[4]廖怡斐,康喬昱,王曉.大傾角松軟厚煤層綜放面頂煤運(yùn)移規(guī)律實測研究[J].能源技術(shù)與管理,2010(4):46-47,55.

[5]唐春安,趙文.巖石破裂全過程分析軟件系統(tǒng)RFPA2D[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,1997,16(5):109-110.

[6]黃明利,唐春安,郭萬成.巖石破裂過程的數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2000,19(4):468-471.

(編輯荀海鑫)

Numerical simulation of top coal moving regularity about fully mecha- nical top coal caving of thick coal seam with gangue

CHEN Haibo1,WU Xiangye1,DONG Yushu2

(1.College of Resources &Environmental Engineering,Heilongjiang Institute of Science &Technology,Harbin 150027, China;2.Fuli Coal Mine,Hegang Mining Industry Group Co.,Hegang 154100,China)

This paper builds on thick coal seam of geological conditions and occurrence status of Fuli coal mine in Hegang and describes the use of RFPA2Dnumerical simulation software to simulate the moving regularity of -450 south 18-2 working face,with different gangue thickness 0.5,1.0,1.5 m respectively.The results show that the upper top coal has larger vertical displacement than the lower in mining process,and the starting point of the lower top coal is more distant than that of the upper top coal from working face.With certain strength of gangue and coal seam,top coal in the working face shows the moving regularity and the degree of crushing,depending on gangue thickness,the top coal with 1.0 m gangue thickness gives a greater displacement and better crushing than that with 0.5 m or 1.5 m.The research could provide a better basis for the caving process of thick coal seam with gangue in fully mechanized top coal caving.

thick coal seam with gangue;fully mechanized top coal caving;movement regularity of top coal;numerical simulation

1671-0118(2012)05-0456-05

2012-06-06

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12511482)

陳海波(1972-),男,黑龍江省五大連池人,副教授,碩士,研究方向:放頂煤開采,E-mail:chenhaibo8@163.com。

TD325

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