综放开采顶煤放出散体介质流理论的试验研究.pdf

文章编号0253 - 9993200403 - 0260 - 04 综放开采顶煤放出散体介质流理论的试验研究 王家臣,李志刚,陈亚军,郑厚发 中国矿业大学北京资源与安全工程学院,北京 100083 摘 要通过模拟试验,系统地研究了综放开采顶煤移动与放出规律、煤岩分界线形状,不同采 放比、不同放煤步距、不同煤岩粒径比条件下的顶煤采出率与含矸率等,在理论上提出了顶煤采 出率的预测方法.放煤的煤岩分界线为二次曲线,运用放煤前后分界线所围成的煤量减去放煤工 艺损失量可预测放出煤量,采放比为1∶2、 “二刀一放”时,放煤效果较好. 关键词放顶煤;放煤规律;散体介质流;模拟试验;采出率 中图分类号 TD823149 文献标识码 A 收稿日期 2003-09-15 基金项目教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助项目 作者简介王家臣1963 - ,男,黑龙江方正人,博士,教授,博士生导师.Tel 010 - 62331447 - 8329 , E - mail wangjiachen vip1sina1com The experimental study of loose medium flow field on the longwall top2coal caving WANGJia2chen , LI Zhi2gang , CHEN Ya2jun , ZHENG Hou2fa School of Resource and Safety Engineering , China University of Mining and Technology Beijing , Beijing 100083,China Abstract Studied the lawof the movement and the flowof the top2coal , the boundary curve of the caved coal and rock , and the recovery ratio and the refuse content for the different top2coal thickness , running coal distance , caved rock diam2 eter by means of simulation experiment. A theoretical of calculating top2coal recovery ratio was put forward. The quadratic curve may be used to fit the boundaryof running coal and rock. The top2coal recovery can be calculated by the closed top2coal of the pre and after running coal boundaries except the lose top2coal during running coal. When the top2 coal thickness is two times of the coal face height and running coal after cutting coal by coal machine , the running coal is satisfactory. Key words top2coal caving; running coal law; loose medium flow field; simulation experiment ; recovery ratio 散体顶煤放出规律是放顶煤开采研究的重要内容之一.在文献[1]中曾明确指出,由于放顶煤支架 的存在、支架步距式的前移和放煤过程的特点,使顶煤放出过程与金属矿的放矿过程有本质差异,这必然 导致金属矿的椭球体放矿理论在放煤过程中的适用性会受到许多限制,甚至不再适用[2].在放煤过程中, 破碎的顶煤和岩石会以阻力最小的路径逐渐向放煤口移动,形成散体介质的流动场.本文通过室内试验真 实地模拟现场实际放煤过程,并进行了系统的分析研究,揭示了散体顶煤放出的一些内在规律. 1 放煤过程试验模拟与煤岩分界线 试验模型的几何比例常数为1∶20 ,试验支架高度为1215 cm.试验用料为巴厘石,其中用平均粒径为1 cm的黑色巴厘石模拟顶煤,用平均粒径为1 , 2 , 3 cm的白色和棕色巴厘石模拟顶板破碎岩石.模拟试验 主要是研究不同的采放比、不同的煤岩粒径、不同的放煤步距等情况下顶煤的移动与放出规律对放煤效果 第29卷第3期煤 炭 学 报Vol.29 No.3 2004年6月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJune 2004 的影响,记录整个试验的采出率、含矸率、单个颗粒的移动迹线、煤岩分界线等. 图1 初始放煤煤岩分界线 Fig11 The boundary of coal and rock in initial stage 试验的采放比为1∶1 , 1∶2 , 1∶3 ,煤岩粒径比为1∶1 ,1∶2 , 1∶ 3 ,放煤工艺为“一刀一放” 、 “二刀一放”和“三刀一放”3 种情况.试验材料的自然安息角白色颗粒 0 15 cm为 40105,棕色颗粒2 cm为45180,黑色颗粒1 cm为 41171. 111 初始煤岩分界线 如图1所示,在工作面初始放煤时,放出漏斗总体上 呈对称状,支架尾梁对放出漏斗的下部有影响,放出漏斗 只在放煤口附近向放煤口内局部倾斜,前、后的煤岩分界 线总体对称,且为二次曲线式 1 , 图2 .不同的采放 比、煤岩粒径比对煤岩分界线整体形状没有影响. 前、后部煤岩分界线分别为 y -01541x2-31829x 11004 6, y -01724 7x241902 7x -01609 8.1 图2 初始煤岩分界线拟合 Fig12 The fitting curves of the boundary of coal and rock in initial stage 分析结果表明,前、后部煤岩分界线的方程形式相同,但后部 煤岩分界线相对较陡.以前边界支架尾梁末端处为x坐标零点,如 图2所示. 112 工作面推进过程中的煤岩分界线 在工作面的推进过程中,支架呈步距式前移,从而改变了原有 煤岩与支架放煤口的相对位置.移架后,支架上方及斜后上方的煤 岩失去了支架的浮托作用,向下前方向运动,填补了支架原先占有 的空间,从而使初始放出漏斗的前部煤岩分界线形状发生重要变化, 此时移架后的前部煤岩分界线是下次放煤的边界线,称其为放煤初 始边界线图3 a .工作面推进过程中的放煤就是在放煤初始边 界线下完成的.放煤结束后,形成了新的煤岩分界线,称其为放煤 停止边界线图3 b .再次移架后,又形成了新的放煤初始边界 线,依此类推,周而复始.因此放煤初始边界线和放煤停止边界线 所围成的煤量就是一个放煤循环中应放出的煤量,由于放煤步距、顶煤移动规律等方面的影响,其中部分 顶煤无法放出,形成了放煤工艺的顶煤损失量. 图3 放煤初始和停止边界线 Fig13 The initial and stop boundary of running top2coal 图4为将放煤初始边界线与放煤停止边界线放在相同的直角坐标系中,通过拟合获得两种分界线的基 本方程.对于不同的顶煤高度、煤岩粒径和放煤步距,放煤初始边界线与放煤停止边界线的基本方程相 162第3期王家臣等综放开采顶煤放出散体介质流理论的试验研究 图4 放煤边界线 Fig14 The boundary of running top2coal 同.其中前边界两个方程分界点坐标为x 01611,y 31318 ,在支 架上方0182 m处;后边界两个方程分界点坐标为x - 11094,y 41230 ,在支架上方1173 m处.初始曲线末端即支架尾梁末端为x坐 标零点,工作面推进方向为x轴负方向. 放煤初始边界线的上、下部方程分别为 y -01402 9x2-21837 7x 51201 6, y 61020 5x201785 7x 01590 2,2 放煤停止边界线的上、下部方程分别为 y -01413 9x2-41018 6x 0133, y 51625x2211319x 201819,3 2 放出煤量预测 由上节分析可知,在一个放煤循环中,实际放出煤量为应放 出煤量减去放煤工艺损失量. 图5 运用放煤理论边界线计算放出煤量 Fig15 The calculation coal quantity by theoretical running top2coal boundary 放煤工艺损失煤量堆积角α 45φ/2,因为在重力作用下, 该方向的剪应力最大,最容易发生滑移.因此放煤工艺损失煤量 为放煤步距L减去放煤口水平投影距离S、堆积角α与放煤初始 边界线围成的面积,如图5所示. 通过积分可以方便计算出每次放煤循环中放出的煤量、放煤 步距的损失煤量等.计算结果与试验结果相符. 6 采放比为1∶3、 “二刀一放”时的上部岩石窜入 Fig16 The intrusive process of above rock during running top2coal when the top2coal thickness is three times of the coal face height and running coal after cutting coal by coal machine 3 不同试验方案的试验结果 311 采放比变化 煤岩粒径之比为1∶2 ,放煤步距“二刀一放”.试验采放比有3 种情况 1∶1 , 1∶2 , 1∶3.试验结果见表1. 表1 采放比对放煤效果的影响 Table 1 The effect of mining and running ratio coal height on top2coal recovery 采放比1∶11∶21∶3 顶煤采出率731498810489118 顶煤混矸率1317061818122 随着顶煤厚度的增加,顶煤采出率也相应地增加.当采放 比为1∶1～1∶2时,顶煤采出率增加幅度较大;当采放比为1∶2～1 ∶3时,顶煤采出率增加的幅度不大,而且当采放比为1∶2时, 顶煤的混矸率最低.由此可见,存在一个合理的顶煤高度,不 同的放煤工艺以及煤岩情况,合理的顶煤高度值会有一定变 化.顶煤高度低,易发生混矸,基本的放煤工艺损失同样存 在,因此顶煤采出收率低、混矸率高.顶煤高度过大,上覆岩 石将从顶煤的后上部位窜入,导致下部顶煤无法放出图6 . 262 煤 炭 学 报 2004年第29卷 表2 放煤步距对放煤效果的影响 Table 2 The effect of running top coal step on running top coal effect 放煤工艺顶煤采出率顶煤含矸率 一刀一放7911512146 二刀一放831579158 三刀一放741936102 312 放煤步距变化 试验的放煤步距分别为“一刀一放” 、 “二刀一放”和 “三刀一放”3种情况,结果见表2.试验的放煤形态如图7 所示,与文献[1]的离散元模拟结果相符. 结果表明,“二刀一放”的顶煤采出率最高,含矸率较 低,放煤效果好;“三刀一放”的顶煤采出率相对前两种放 煤步距有较大降低,存在明显的顶煤步距损失图7 b . 随着放煤步距的增大,含矸率减小. 313 煤岩粒径之比变化 表3 试验结果 Table 3 The test results 煤岩粒径之比1∶11∶21∶3 顶煤采出率761867917280186 顶煤含矸率151531110910175 采放比为1∶2 ,放煤步距为“一刀一放”,煤岩粒径 之比为1∶1 , 1∶2和1∶3三种情况.试验结果见表3. 结果表明,煤岩粒径之比增大,顶煤的采出率增 加,含矸率降低.但如果破碎岩石的块度过大,不能随 着顶煤一起流动,形成结构,则对提高顶煤采出率不 利. 图7 不同放煤步距的残煤形态 Fig17 The remnant coal shape by the different steps a一刀一放; b三刀一放 4 结 论 1初始放煤边界线为二次曲线,前、后部边界线基本对称. 2在工作面推进过程中,放煤边界线与首次放煤的初始放煤边界线有较大差异,但仍可按二次曲线 描述. 3每次循环中实际放出煤量是放煤初始边界线和放煤停止边界线所围成的煤量减去放煤工艺损失 量,通过放煤边界线的理论描述,可以对实际放出煤量进行理论预测. 4采放比为1∶2时,放煤效果较好,存在一个合理的放煤高度;放煤步距过大,放煤的工艺损失严 重;顶板破碎岩石能与顶煤一起流动的情况下,较大的岩石粒径有利于提高顶煤采出率、降低含矸率. 参考文献 [1] 王家臣,富 强.低位综放开采顶煤放出的散体介质流理论与应用[J ].煤炭学报, 2002 , 27 4 337～241. [2] 刘兴国.放矿理论基础[M].北京冶金工业出版社, 1995. 362第3期王家臣等综放开采顶煤放出散体介质流理论的试验研究