D01:10.13374j.isml00103x2006.09.002 第28卷第9期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 9 2006年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2006 大倾角厚煤层综放开采颗粒元分析 王树仁12) 王金安 刘淑宏)吴顺川四 谢俊文2) 1)燕山大学建筑工程与力学学院.秦皇岛0660042)北京科技大学土木与环境工程学院.北京100083 3)东北大学秦皇岛分校，秦皇岛066004 摘要应用P℉CD计算程序，对某矿水平与倾斜联合布置的折线型综采面，分析了散体顶煤和破 碎直接顶的落放过程及落放形态，揭示了不同放煤步距连续推进模式下的煤损动态特征，并对不 同放煤顺序的项煤回收率及支架受力工况进行了优化分析.研究表明：折线型综采面采用自上而 下的回采顺序，顶煤回收率高，支架受力均匀：低位单口放煤时，放出体形态向采空区侧偏转：在支 架连续推进过程中，煤损形态节律性变化：大倾角厚煤层综放开采，采用中档放煤步距的经济技术 效果较好. 关键词大倾角厚煤层：综采放顶煤；散体介质：运移特征：数值模拟 分类号TD82321 目前，对综放开采过程中顶煤及覆岩的运动 1 规律、散体顶煤及破碎直接顶的落放过程及落放 工程背景 规律的研究，主要采用现场实测、室内实验和 甘肃靖远某矿四煤层为矿井的主采煤层，沉 理论分析三种方法.由于受到客观条件的限制及 积层位较稳定，煤层倾角为29一47°，煤层厚度 各种复杂因素的影响，现场实测不易获取系统的 860~2440m,平均厚度16.43m.煤岩结构为 内在规律.而且局部的测定结果也很难无争议地 单一条带状和层状结构.四煤层的伪顶为黑色、 推广到大范围的工程中去.对岩土类材料相似模 深灰色泥岩和炭质泥岩，质软，易冒落，厚度为 型的相似率不易得到很好的满足，一直是相似材 030~1.20m:直接顶为深灰色粉砂岩和细砂岩， 料模拟实验难以得到更好应用的最大障碍.现有 厚度为7.87~47.50m;老顶为深灰色，灰色细砂 的解析方法，由于基本假设太多，往往与工程实际 岩和粗砂岩，厚度为6.37~52.63m.四煤层的底 脱节，或者难于取得可靠有效的计算参数，使得到 板为灰色、灰黑色粉砂岩，坚硬稳固性好，厚度为 的结果与工程实际相差很大.室内数值模拟实验 270~13.37m.井田内四煤层为低硫、低磷、低 可人为地控制和改变实验条件，能考虑单因素或 灰分、发热量较高的优质动力用煤. 多因素对问题的影响，实验周期短、成本低、可视 该矿四煤层综放面走向长度为600m,倾斜 化效果好，实验可多次重复进行且能保存实验结 长度112m,采高240~2.80m,初选支架类型为 果，己成为当前广泛应用的研究方法2-) 四柱、低位支架，宽度1.50m,高度1.70~3.00 本文采用现场实测初参数、室内模拟实验与 m,平均放高为13.63m,整个煤层埋深为260~ 现场生产实践相结合的研究方法，对某矿大倾角 320m. 厚煤层综放开采过程中，散体顶煤和破碎顶板的 综采面下部水平布置，上部沿煤层倾向布置. 落放过程、落放规律以及在不同放煤步距连续推 因此，该综放面兼有水平开采和倾斜开采的特点， 进模式下的煤损特征等进行模拟分析，并对折线 综放采场的煤岩应力、变形与破坏规律将具有新 型综放面不同放煤顺序的顶煤回收率及支架受力 的特色9.试采煤层倾角约为30°，试采成功后将 工况等进行优化分析，以期研究成果更好地服务 开采该矿倾角为42°的煤层. 于现场工程实践， 2 计算模型及模拟方案分类 收稿日期：2005-06-27修回日期：200603-20 21综放顺序优化模拟方案 基金项目：高等学校博士学科专项科研基金(Na.2004000825) 采用PFC2D计算程序1，对大倾角厚煤层沿 作者简介：王树仁(1968一)，男，副阿究员，博士 煤层倾向不同综放顺序进行优化分析，构建如图大倾角厚煤层综放开采颗粒元分析 王树仁1, 2) 王金安2) 刘淑宏3) 吴顺川2) 谢俊文2) 1) 燕山大学建筑工程与力学学院, 秦皇岛 066004 2) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 3) 东北大学秦皇岛分校, 秦皇岛 066004 摘 要 应用 PFC 2D计算程序, 对某矿水平与倾斜联合布置的折线型综采面, 分析了散体顶煤和破 碎直接顶的落放过程及落放形态, 揭示了不同放煤步距连续推进模式下的煤损动态特征, 并对不 同放煤顺序的顶煤回收率及支架受力工况进行了优化分析.研究表明:折线型综采面采用自上而 下的回采顺序, 顶煤回收率高, 支架受力均匀;低位单口放煤时, 放出体形态向采空区侧偏转;在支 架连续推进过程中, 煤损形态节律性变化;大倾角厚煤层综放开采, 采用中档放煤步距的经济技术 效果较好. 关键词 大倾角厚煤层;综采放顶煤;散体介质;运移特征;数值模拟 分类号 TD823.21 收稿日期:2005 06 27 修回日期:2006 03 20 基金项目:高等学校博士学科专项科研基金( No .20040008025) 作者简介:王树仁( 1968—) , 男, 副研究员, 博士 目前, 对综放开采过程中顶煤及覆岩的运动 规律、散体顶煤及破碎直接顶的落放过程及落放 规律的研究 [ 1] , 主要采用现场实测 、室内实验和 理论分析三种方法.由于受到客观条件的限制及 各种复杂因素的影响, 现场实测不易获取系统的 内在规律, 而且局部的测定结果也很难无争议地 推广到大范围的工程中去 .对岩土类材料相似模 型的相似率不易得到很好的满足, 一直是相似材 料模拟实验难以得到更好应用的最大障碍.现有 的解析方法, 由于基本假设太多, 往往与工程实际 脱节, 或者难于取得可靠有效的计算参数, 使得到 的结果与工程实际相差很大.室内数值模拟实验 可人为地控制和改变实验条件, 能考虑单因素或 多因素对问题的影响, 实验周期短、成本低 、可视 化效果好, 实验可多次重复进行且能保存实验结 果, 已成为当前广泛应用的研究方法 [ 2 3] . 本文采用现场实测初参数 、室内模拟实验与 现场生产实践相结合的研究方法, 对某矿大倾角 厚煤层综放开采过程中, 散体顶煤和破碎顶板的 落放过程、落放规律以及在不同放煤步距连续推 进模式下的煤损特征等进行模拟分析, 并对折线 型综放面不同放煤顺序的顶煤回收率及支架受力 工况等进行优化分析, 以期研究成果更好地服务 于现场工程实践 . 1 工程背景 甘肃靖远某矿四煤层为矿井的主采煤层, 沉 积层位较稳定, 煤层倾角为 29 ～ 47°, 煤层厚度 8.60 ～ 24.40 m, 平均厚度 16.43 m .煤岩结构为 单一条带状和层状结构 .四煤层的伪顶为黑色、 深灰色泥岩和炭质泥岩, 质软, 易冒落, 厚度为 0.30 ～ 1.20 m ;直接顶为深灰色粉砂岩和细砂岩, 厚度为 7.87 ～ 47.50 m ;老顶为深灰色 、灰色细砂 岩和粗砂岩, 厚度为 6.37 ～ 52.63 m .四煤层的底 板为灰色、灰黑色粉砂岩, 坚硬稳固性好, 厚度为 2.70 ～ 13.37 m .井田内四煤层为低硫 、低磷、低 灰分 、发热量较高的优质动力用煤 . 该矿四煤层综放面走向长度为 600 m, 倾斜 长度 112 m, 采高 2.40 ～ 2.80 m, 初选支架类型为 四柱、低位支架, 宽度 1.50 m, 高度 1.70 ～ 3.00 m, 平均放高为 13.63 m, 整个煤层埋深为 260 ～ 320 m . 综采面下部水平布置, 上部沿煤层倾向布置. 因此, 该综放面兼有水平开采和倾斜开采的特点, 综放采场的煤岩应力 、变形与破坏规律将具有新 的特色[ 4] .试采煤层倾角约为 30°, 试采成功后将 开采该矿倾角为 42°的煤层. 2 计算模型及模拟方案分类 2.1 综放顺序优化模拟方案 采用 PFC 2D计算程序[ 5] , 对大倾角厚煤层沿 煤层倾向不同综放顺序进行优化分析, 构建如图 第 28 卷 第 9 期 2006 年 9 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.9 Sep.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.09.002