综放开采散体顶煤三维放出规律模拟研究

发布时间：2018-03-30 05:06

本文选题：综放开采　切入点：放出规律　出处：《中国矿业大学(北京)》2017年博士论文

【摘要】：散体顶煤放出规律作为综放开采基础研究中的重要问题之一,其本质是非理想松散介质的流动问题,在理论上给出严格的数学表达或者力学求解难度很大,故本文主要采用相似模拟试验与数值模拟计算的手段,对综放开采散体顶煤的放出规律进行深入研究。首先,通过三维相似模拟试验和三维离散元数值计算,对综放开采中支架的存在对顶煤放出体形态的影响进行了深入分析;其次,研究了复杂条件下,工作面倾角和仰/俯采角对顶煤放出规律的影响;最后基于BBR体系进行了提高顶煤采出率的工艺研究。研究结果具体如下:(1)将综放开采顶煤放出的煤岩分界面(Boundary)、顶煤放出体(Body)、顶煤采出率与含矸率(Ratio)统一进行研究,建立顶煤放出规律的BBR研究体系,详细研究了相互之间的影响与制约关系,有助于更深层次地探索综放开采散体顶煤三维放出规律。基于BBR体系研究了放煤过程中煤岩分界面形态以及支架和移架对其影响,提出了煤岩分界面演化的简化抛物线模型。放出体可以分为发育不完整、基本成熟和成熟三个发育阶段;支架掩护梁影响会使放出体前部发育较快,始终超出椭球体范围,放出体是一被支架掩护梁所切割的非椭球体,称其为切割变异椭球体。切割变异椭球体主要有“斜切成面”、“差异流动”、“超前发育”三个特征,这三个特征分别是由于支架自身几何属性、松散介质流动局部化、散煤内外摩擦角差异引起的。(2)放煤起始煤岩分界面是放煤的边界条件,放出体在煤岩分界内发育,会放出纯顶煤,一旦与煤岩分界面相交,就会有岩石混入,混入的岩石首先出现在放出体靠近采空区一侧的中部,然后向上下方向发展,其中以向上方向发展为主。为了提高顶煤采出率,应尽可能地扩大放出体与煤岩分界面的相切范围,由于放出体形态不易控制,提出了通过放煤工艺与参数调整,进而控制煤岩分界面形态来提高顶煤采出率的思路。放煤过程中待放顶煤区域始终处于采空区岩石与支架顶梁形成的拱形挤压强力链下部,处于相对卸压区,且在放煤口附近顶煤易成拱,所以放煤过程中,要控制好支架位态,同时支架尾梁要适当摆动以提高放煤速度。(3)综放开采中,支架存在会导致顶煤放出量减少,对金属矿椭球体理论中关于放矿量的计算公式进行修正,提出了综放开采顶煤放煤量的计算公式。首次在室内三维相似模拟试验中,观察到综放开采顶煤放出体在发育过程中存在向支架前方“超前发育”特征,验证了BBR体系中关于切割变异椭球体主要特征的描述。通过对比试验的方法,证明放出体“超前发育”现象是由支架存在而引起的。从偏心率和偏转角出发,对顶煤放出体的“超前发育”特征进行了深入分析;揭示了偏转角与放出体高度之间的关系。首次提出了基于参数?的支架影响程度等级划分方法。采用PFC3D数值模拟软件对顶煤放出体的“超前发育”特征和以及综放开采顶煤放出体体积计算公式的正确性进行了验证,计算结果与物理模拟试验相吻合。(4)初始顶煤放出体的体积随着工作面倾角的增大而增大,且当工作面倾角大于松散煤体的自然安息角后,放出体体积的增大速率明显加快;顶煤放出体在沿工作面方向上的断面可近似为一长轴竖直的椭圆形,在相同的起始煤岩分界面下,该椭圆的长短轴随工作面倾角增大而增大、偏心率随倾角增大而在0.76~0.81区间内平稳波动。随着工作面倾角的增大,上端头侧的煤岩分界面逐渐靠近重力线,且其形态也逐渐变得平缓而绵长。顶煤采出率随工作面倾角的增大呈现出先增大后减小的变化特征,在倾斜、急倾斜条件下,采用普通放煤方式的顶煤采出率低于水平、近水平条件,在现场生产中应当对倾斜、急倾斜综放开采放煤方式进行针对性的优化。(5)近水平煤层综放开采顶煤放出过程中,工作面倾角的存在使得放煤量从工作面上端头到下端头逐渐增加,含矸率相应降低;下端头放煤效率;发现近水平煤层顶煤采出率沿煤层走向不同区域呈动态演化过程,且沿煤层倾向具有周期性分布的特点,揭示了顶煤采出率的三维分布特征;煤矸放出体体积随放煤高度增大呈幂函数关系增大;顶煤采出率和含矸率随放煤时间呈阶段性变化特征;不同放煤方式的模拟结果表明,间隔放煤有利于提高放煤量和顶煤采出率,在近水平煤层综放开采中建议采用间隔放煤。(6)急倾斜厚煤层走向长壁综放开采顶煤采出率沿煤层倾向呈“几”字形分布规律,顶煤放出体向工作面上端头发育趋势明显,放出体“枣核状”形态和煤岩分界面非对称性的相互作用导致的上下端头煤损差异,是急倾斜厚煤层综放开采顶煤采出率呈“几”字形分布的根本原因。数值计算和现场实测结果亦服从顶煤采出率的“几”字形分布规律。依据顶煤采出率的“几”字形分布规律,提出了适当减少下端头不放煤支架数目、增加工作面长度等针对性的措施建议,以提高急倾斜煤层综放工作面的顶煤采出率。(7)在仰/俯斜顶煤放出体形态的各影响因素中,重力是主导因素,支架存在是辅助因素,而仰/俯采角则对放出体形态影响甚微。在相同的起始煤岩分界面下,顶煤放出量随仰采角的增大而增大,随着俯采角的增大而减小,但放出体形态均为切割变异椭球体。随着仰采角的增大,终止煤岩分界面由缓变陡,顶煤重力沿煤层走向分力的增大导致顶煤流向采空区成为残煤的概率变大;同时原本无法放出的部分超前顶煤也会因仰采角存在而被大量放出,两者的相互作用使得顶煤采出率随仰采角的增大呈现出先减小后增大的变化特征。随着俯采角的增大,终止煤岩分界面中部向采空区侧凸出的特征越来越明显,使得采空区的矸石逐步出现超前混入现象,故顶煤采出率随俯采角的增大基本呈现出逐步减小的变化趋势。(8)仰斜综放开采顶煤放出过程中,放煤量与含矸率呈现出显著的负相关关系;和水平综放相比,仰斜综放顶煤采出率沿煤层走向的分布呈现出充分放出区向前偏移的特征;仰采角的存在对顶煤采出率沿煤层倾向的分布影响不大;沿煤层垂直方向采出率随距底板高度的增大而减小。运用自主研制的顶煤运移跟踪仪,对瑞隆矿1201仰斜综放工作面顶煤采出率进行现场实测,结果表明仰斜综放不同层位顶煤放出顺序大致为高位→低位→中位,且由于高位顶煤向采空区后方运移成为残煤的概率较大,其采出率低于中、低位顶煤。(9)采用多口同时放煤的方式可提高顶煤采出率,多回收的部分主要来自于工作面中部的中高位顶煤;随着放煤口长度的增大,放出体体积呈线性增大且初始矸石混入点向放煤口上方移动,终止煤岩分界面形态逐步呈现出向已放煤侧凸出的特征;采用分段逆序放煤方式可使下端头顶煤采出率提高13.98%,且可在正、逆序段衔接处可形成有利于放出体发育的煤岩分界面形态,减少了采空区残煤;逆序段放煤量增长率随逆序段长度增大呈现出先增大后减小的趋势;采用分段逆序双口同时放煤方式,可达到同时提高工作面中部和下端头顶煤采出率的目的。
[Abstract]:On the basis of the BBR system , the influence of the coal - rock interface on the top coal evolution is studied . ( 2 ) The boundary condition of coal caving is the boundary condition of coal caving . When the coal rock is separated from the coal rock , it will release pure top coal . In order to improve the coal production rate , it is necessary to expand the tangent range of the coal - rock sub - interface . In order to improve the coal mining rate , it is suggested that the coal caving process and parameters adjustment should be made , and the coal - rock sub - interface form can be controlled to improve the coal caving speed . ( 4 ) The volume of the initial coal caving is increased with the increase of the inclination of the working face , and when the inclination angle of the working face is greater than the natural repose angle of the loose coal body , the increase rate of the volume of the top coal is increased obviously . ( 7 ) In the influence factors of the shape of lean coal , gravity is the dominant factor , and there is little influence on the shape of the coal seam . The coal mining rate of the top coal decreases with the increase of the pitch angle . The coal mining rate of the top coal is decreased with the increase of the pitch angle .

【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD823.49

【参考文献】