基于PFC的放顶煤放煤机理数值模拟

基于PFC颗粒流数值模拟软件,分别模拟了0.6 m、1.2 m、1.8 m这3种放煤步距,结果显示这3种放煤步距放出率分别为86%、83%、74%,含矸率分别为12%、6%、2%。从顶煤的运动特征和接触力场变化规律论述了放煤动态多层位拱结构的发育过程及机理,发现顶煤的放出过程是一个多层位拱结构不断形成、破坏的动态过程,会形成一个动态多层位拱结构;而不同位置的顶煤运移空间受限程度不同,导致不同位置顶煤运动状态不同,当拱结构上方矿山压力大于拱结构内顶煤颗粒之间摩擦力时,拱结构遭到破坏;由于位于拱顶的顶煤运移速度远大于两侧拱脚,导致拱结构的拱顶层位不断向上发育,从而形成高层位的拱结构,涌向放煤口的顶煤可能在放煤口形成低层位的拱结构。研究认为,沿工作面走向顶煤放出体应是一个连续的放煤椭球体,合理的放煤步距应为一个椭球体的宽度,并通过模拟试验证明了通过支架尾梁摆动破拱能够有效提高放煤效率。     

特厚煤层综放开采顶煤成拱机理及除拱对策

通过现场实测对同煤集团塔山煤矿特厚煤层综放开采中放煤过程进行了分析,揭示了顶煤在放出过程中易形成阻塞放煤的成拱现象,研究了顶煤成拱机理,提出了"面接触块体拱"模型,得到了拱的轴线形式为抛物线,给出了影响放煤效率的高跨比参数,并对高跨比参数中的角度和摩擦因数影响进行了分析,明确了煤岩压缩强度与煤块尺寸之间的关系。在此基础上,提出并实施了顶煤注水软化,开发新型放煤支架及强扰动装置,优化放煤工艺等开采措施,顶煤采出率提高了6.92%。     

综放开采顶煤成拱机理及控制技术

结合同煤集团麻家梁矿14101综放工作面顶煤成拱、不易放出的问题,建立了顶煤成拱力学模型,分析了成拱机理,运用PFC数值模拟软件分析了放煤过程中的几种成拱状态,模拟了顶煤拱的控制与破坏技术,得知顶煤拱的承载能力与抗滑移剪力失效是拱发生破坏的2种方式,通过尾梁后摆动和尾梁先前摆再后摆可达到破拱目的。最后,对现场工作面工艺方式进行了优化并投入试验,顶煤回收率及生产效率得到了显著提高,取得了良好的效果。     

急斜大段高放顶煤矿压显现及囤岩控制特点

增大放高是急倾斜放顶煤发展趋向．六道湾矿综采放顶煤开采中一次采放煤高度大于30m，回收率70％以上．上位顶煤及覆盖层的成拱机制及失稳运动是造成放顶煤面矿压显现和影响顶煤放出的基本因素。实测表明，上位顶煤可形成拱壳结构，     

不稳定厚煤层放顶煤开采煤矸流场规律的数值模拟研究

放顶煤开采过程中,由于顶煤厚度的变化,使得煤矸流场规律发生变化,影响了顶煤的放落回收。基于鹤壁十矿在煤层厚度变化较大条件下放顶煤开采的实际,应用PFC2D计算程序,模拟分析了顶煤厚度变化,即采放比不同对煤矸流场特征和顶煤放出规律的影响。结果表明:顶煤损失是随放煤循环逐渐积累的过程,煤矸流动的速度场和接触力场以放煤口为中心呈半拱形状,距放煤口距离越小,接触力越小。     

中硬厚煤层安全高效炮采放顶煤工艺

针对中硬煤层中推广应用炮采放顶煤工艺时,顶煤不易松动破碎,并且顶煤垮落过程中易产生大块煤,造成放煤困难,甚至出现落煤 "挤压成拱"放不出的现象,采用顶煤预裂爆破技术对放煤工艺进行改革,探索出了一套成功的生产管理方法.     

仰斜综放开采顶煤运移规律及合理放煤参数研究

为研究不同倾角的煤层在放煤过程中顶煤的运移规律和确定合理的放煤参数,采用PFC^2D颗粒流软件模拟济宁二号煤矿10301工作面不同倾角下的顶煤运移规律,并结合现场实测确定合理的放煤参数,得到了采放比、放煤步距、仰采角度对顶煤放出率的影响规律。结果表明：仰采角度越大,顶煤从初始位置运移到放煤口的位移距离越长;仰采角度越大,顶煤运移轨迹形成“倒勺子”形状就越明显,放煤过程中顶煤越容易向采空区运移,顶煤放出率越低;随着支架倾角的增加,顶煤在运移过程中与支架相互作用形成的“力链拱”、成拱效应越明显;济宁二号煤矿10301工作面的最佳采高确定为3.5 m,最佳放煤步距为0.8 m,最佳采放比为1:3,确定最佳放煤含矸率为7%;现场实测与模拟结果相近,验证数值模拟的可行性。     

块度级配对散体顶煤流动特性影响的试验研究

掌握破碎后散体顶煤的流动特性和放出规律是综放开采优化放煤工艺参数、提高顶煤采出率、降低含矸率的重要基础。不同块度的顶煤在松散煤块集合体中所占的比例称之为块度级配,块度级配是松散煤体流动特性的重要影响因素之一。为了研究块度级配对散体顶煤流动特性的影响,基于自主研制的放煤试验台,采用物理模拟试验和理论分析相结合的方法探究了块度级配对初始放煤量、颗粒运移轨迹以及煤岩分界面演化特征的影响。不同块度级配条件下的放煤试验结果表明,初始放煤量随顶煤平均块度的增大而增大;放出顶煤的块度级配变化显著,小块度顶煤占比高时,大块顶煤更易被放出;反之,大块顶煤因成拱频繁而放出量少;初始煤岩分界面演化过程中其最低点由放煤口中心线逐渐偏向采空区侧,且顶煤平均块度越大越显著,其运动轨迹基本符合横向抛物线形式。支架上方顶煤颗粒运动速度明显快于采空区侧顶煤颗粒;顶煤平均块度较小时,顶煤颗粒运动速度较快,成拱次数较少;顶煤通过放煤口以后,顶煤流动扩散角随顶煤平均块度的增大而增大。基于散体介质力学理论推导了支架侧和采空区侧初始煤岩分界面动态演化方程,结合放煤试验结果确定了不同顶煤块度级配条件下煤岩分界面理论方程的修正系数取值:支架侧初始煤岩分界面理论方程的修正系数k_R的取值为0.30～0. 35,采空区侧分界面理论方程的修正系数|k_L|的取值为0.25～0.28;讨论了顶煤块度级配对方程修正系数的影响规律,发现随着顶煤平均块度的增大,k_R和|k_L|的取值范围呈增大趋势。     

提高浅埋坚硬特厚煤层顶煤冒放性技术研究

为了深入分析浅埋坚硬顶煤破断、垮落的运动特征,以千树塔煤矿11301综放工作面作为研究背景,采用数值模拟和现场试验的方法对坚硬顶煤破断特征、垮落结构进行了研究。结果表明:正常推进阶段,靠近工作面两端头位置,坚硬顶煤容易形成"悬臂"结构,破断的坚硬顶煤块体垮落容易形成挤压平衡"拱"结构。本文提出以深孔爆破方式弱化坚硬顶煤,减小坚硬顶煤悬臂长度;以放煤工艺优化方式降低坚硬顶煤块体垮落成拱几率,并在现场得到了成功应用。     

放顶煤采场顶板运动规律的研究

利用离散元和有限元数值模拟及力学解析计算，分析了放顶煤采场中上覆岩层运动规律；认为采场上覆岩层运动为分层运动，运动结构为拱－梁结构；拱－梁转换的实现，是以拱顶的失稳升高为条件，在分析了影响顶板运动的主要因素（顶板岩层断裂角、放煤步距、顶板岩层块体尺寸、顶煤厚度）的基础上，认为放煤步距过大（≥２ｍ）会降低放煤率，增大老顶垮落的动压冲击程度。放顶煤工作面与非放顶煤工作面的区别是，采空区充填系数小，顶板岩层运动剧烈，走向方向超前支承应力峰值较大。