不同煤厚综放工作面合理放煤工艺数值模拟研究.pdf

第 42 卷第 4 期2023 年 7 月Vol.42No.4Jul.2023JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）河南理工大学学报（自然科学版）不同煤厚综放工作面合理放煤工艺数值模拟研究刘闯1，李化敏2，马占元3，张侦锐1（1.河南工程学院 资源与安全工程学院 河南 郑州 451191；2.河南理工大学 能源科学与工程学院 河南 焦作 454000；3.晋能控股集团，山西 大同 037003）摘要：同忻煤矿 8202综放工作面顶煤回收率较低，为提高煤炭资源采出率，利用 CDEM 建立沿工作面倾向的数值模型，模拟研究综放工作面顶煤厚度分别为 4.0，8.0，12.0 m时不同放煤工艺的放煤过程，分析煤矸分界面和顶煤回收率的变化规律，优化不同顶煤厚度条件下放煤工艺参数。结果表明，顶煤一次放出的厚度越大，各放煤口放煤量差异越大，放煤过程中煤矸互层越严重，煤矸分界面越混乱，顶煤回收率越低。对比可知，8202综放工作面采用三轮顺序放煤工艺时顶煤回收率最高。关键词：综放工作面；煤厚；放煤工艺；顶煤回收率；数值模拟中图分类号：TD82文献标志码：A文章编号：1673-9787（2023）4-40-7Numerical simulation study on reasonable top coal caving technology in longwall top coal caving working face with different top coal thicknessLIU Chuang1，LI Huamin2，MA Zhanyuan3，ZHANG Zhenrui1（1.School of Resource and Safety Engineering，Henan University of Engineering，Zhengzhou 451191，Henan，China；2.School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，Henan，China；3.Jinneng Holding Group，Datong 037003，Shanxi，China）Abstract：The recovery rate of top coal in 8202 longwall top coal caving（LTCC）working face of Tongxin coal mine is low.In order to improve the recovery rate of coal resources，a numerical model along the slope of the working face was established by CDEM numerical simulation software.Different top coal caving technology were used to simulate the top coal caving process of the LTCC working face under the top coal thickness of 4.0，8.0，12.0 m，the changes in the coal-gangue interface and the recovery rate of the top coal were compared and analyzed，and the reasonable coal drawing process parameters under different top coal thickness were optimized.The results showed that the greater the thickness of the top coal caving at one time was，the greater the difference in the amount of top coal caving at each caving window was，the more serious the coal-gangue interbedding was，the more chaotic the coal-gangue interface was and the lower top coal recovery rate was.Through analysis and comparison，it was concluded that the top coal recovery rate of 8202 刘闯，李化敏，马占元，等.不同煤厚综放工作面合理放煤工艺数值模拟研究 J.河南理工大学学报（自然科学版），2023，42（4）：40-46.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021120103LIU C，LI H M，MA Z Y，et al.Numerical simulation study on reasonable top coal caving technology in longwall top coal caving working face with different top coal thickness J.Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2023，42（4）：40-46.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021120103收稿日期：2021-12-27；修回日期：2022-10-14基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC0604502）；河南省科技攻关项目（222102220062）；河南省自然科学基金资助项目（232300420334）；河南省高校科技创新团队计划项目（22IRTSTHN009）第一作者简介：刘闯（1989），男，河南镇平人，博士，讲师，主要从事煤矿智能化放煤方面的教学和研究工作。Email：O S I D第 4 期刘闯，等：不同煤厚综放工作面合理放煤工艺数值模拟研究LTCC working face was the largest under the three-round sequential top coal caving technology.Key words：longwall top coal caving working face；coal thickness；coal caving technology；top coal recovery rate；numerical simulation0引言综放开采技术自 1984年引入中国以来，逐渐成为我国厚煤层主要开采技术，并取得了较好的经济效益1-6。然而，我国煤层赋存条件复杂、开采难度大，在提高顶煤回收率和降低煤炭含矸率等方面还需不断探索和研究7。综放工作面的顶煤回收率普遍较低，在一些装备先进、管理科学的综放工作面，顶煤回收率也只有 85%左右8。综放工作面放煤工艺参数选择是影响放煤效率和顶煤回收率的重要因素之一。王家臣等9-10、宋正阳等11-12基于 BBR 研究体系，对综放工作面顶煤破碎块度和放煤方法进行系统研究，建立顶煤破碎块度三维预测模型，提出大间隔分段式放煤方式，对减少顶煤损失和提高顶煤回收率具有积极意义；谢德瑜13对比分析急倾斜厚煤层在分段放煤、上行放煤和下行放煤 3 种放煤工艺条件下顶煤回收率，发现在急倾斜厚煤层中采用上行放煤工艺顶煤回收率最高；仲涛14、ZHANG N B 等15采用数值模拟、理论分析和现场实测方法，研究塔山矿特厚煤层放煤过程中，煤矸流中拱结构对顶煤回收率的影响，为确定合理放煤工艺提供参考。以上研究大多针对某一特定放煤高度进行放煤工艺优化，对不同放煤高度条件下的不同放煤工艺参数研究的较少。本文针对同忻煤矿开采过程中放煤工艺复杂和顶煤回收率低等问题，建立放顶煤数值模拟模型。分析综放工作面在不同放煤高度和放煤工艺条件下的顶煤回收率，系统研究并优化综放工作面在不同放煤高度条件下的放煤工艺，以期提高综放工作面顶煤回收率。1工程背景同忻煤矿 8202 综放工作面开采 3-5 号煤层，平均厚 15.26 m，近水平煤层，平均埋深 447 m，工作面长 200 m。8202 综放工作面机采高度 3.9 m，顶煤放出高度 11.36 m，顶煤的冒放性较好。工作面老顶为厚 17.1 m砂质泥岩，直接顶为厚 3.8 m炭质泥岩。直接底为厚 2.0 m 砂质泥岩，老底为厚3.4 m粉砂岩。2综放工作面放顶煤数值模拟研究2.1综放工作面放顶煤数值模拟模型建立顶煤厚度分别为 4.0，8.0，12.0 m 的煤岩层数值模型，研究综放工作面不同顶煤厚度条件下放煤过程中煤矸界面运移和顶煤回收情况。图1 中，数值模型长 120.0 m，每个放煤口宽 1.75 m，模型左右边界各预留 16.0 m煤柱不放煤。模型中矸石为 3.0 m 厚炭质泥岩，矸石上部为 7.0 m 厚砂质泥岩（直接顶）。模型两侧和下部边界进行位移约束，模拟采煤工作面 50 个放煤口的放煤规律，模型中煤岩层的力学参数如表 1所示。2.2综放工作面放顶煤数值模拟方案分别采用单轮顺序、单轮间隔、多轮顺序和多轮间隔 4种放煤工艺，模拟 4.0，8.0，12.0 m 厚顶煤的放煤过程，具体放煤工艺见表 2。2.3综放工作面数值模拟顶煤放出特征分析以 4.0，8.0，12.0 m 厚顶煤单轮顺序放煤工艺为例，分析放煤数值模拟结果显示的煤岩分界面形态特征，如图 24所示。4.0 m 厚顶煤放出后，煤岩界面整体上相对规整，顶煤残留较少，如图 2图 1综放工作面倾向方向放顶煤数值模拟模型Fig.1Numerical simulation model of top coal caving in dip direction in fully mechanized top coal caving working face412023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）所示。较小厚度顶煤回收，需要的计算迭代步数相对较少，顶煤运移路程短，在矸石到达放煤口之前顶煤基本能够回收完毕，煤矸互层少，煤岩分界面规整，顶煤回收率较高。图 23 中，8.0 m 与 4.0 m 厚顶煤放煤相比，煤岩界面相对较陡，顶煤残留增多。12.0，4.0，8.0 m厚顶煤放煤相比，煤岩分界面不规整，煤损大，如图24 所示。12.0 m 厚顶煤放煤过程中，煤流到达放煤口的运移距离长，由于放煤口两侧顶煤碎胀系数不同，碎胀系数大的一侧煤矸流运移速度快，能够快速到达放煤口，当碎胀系数大的一侧矸石到达放煤口时，按照“见矸关门”原则，放煤口关闭，导致碎胀系数小的一侧部分顶煤不能放出，煤损增加，顶煤回收率降低。由图 24可知，模拟中各放煤口之间的脊背煤形状均向左呈不规则形状倾斜，这是因为综放面各放煤口在打开后，其上部影响区域内顶煤发生松散运动，松散后的顶煤碎胀系数大于没有发生松散运动的顶煤。当打开放煤口放煤时，放煤口左侧顶煤已在前一个放煤口打开过程中发生了松散运动，右侧顶煤受到的影响小于左侧的，因此右侧顶煤相对于左侧顶煤更致密。放煤过程中左侧顶煤松散程度大，煤流移动过程中相互摩擦阻力小，右侧顶煤移动过程中相互摩擦阻力较大，使顶煤放出体偏向左侧，造成各放煤口间的脊背煤形状向左倾斜。其他三种放煤工艺条件下，煤岩分界面形态特征与单轮顺序放煤模拟结果大体一致，由于篇幅所限，不再一一列举。3综放工作面顶煤放出量统计分析3.1综放工作面顶煤回收率统计分析对不同放煤工艺和不同厚度顶煤回收率和放图 24.0 m厚顶煤条件下单轮顺序放煤煤岩分界面形态Fig.2Interface shapes of