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硕士学位论文 塔尔煤田放顶煤开采数值模拟研究 Numerical Modelling of Longwall Top Coal Caving at Thar Coalfield 作 者Niaz Muhammad Shahani 尼亚日 导 师万志军 教授 中国矿业大学 二〇一九年五月 江苏省高校优势学科建设工程项目（PAPD）资助 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD8 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 塔尔煤田放顶煤开采数值模拟研究 Numerical Modelling of Longwall Top Coal Caving at Thar Coalfield 作 者 尼亚日 导 师 万志军 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 岩体力学与岩层控制 答辩委员会主席 曹胜根 评 阅 人 盲审 二〇一九年五月 万方数据 Acknowledgment Firstly, I would like to express my deepest thanks and sincere appreciation to my supervisor Prof. Dr. Zhijun Wan and co-supervisor Prof. Dr. Li Guichen, School of Mines for conducting this research study. I am enormously grateful for their kind supervision, guidance, and advice in the right direction whenever they thought I needed it. I would also like to thanks my other advisors Dr. Yuan Zhang mechanism of top coal caving; numerical modeling; Thar coalfield; top-coal recovery ratio 万方数据 III 扩扩 展展 摘摘 要要 煤炭是一种重要的化石能源，也是工业的粮食，被广泛应用于各行各业的能 源供应中。煤炭资源除了少数暴露于地表外，大部分埋藏于地下。目前，井工开 采作为地下煤体资源开采方式主要分为长壁开采和短壁开采。 对于厚度较大的煤 层， 可采用分层开采工艺、 放顶煤工艺和大采高工艺。 由于较低的经济、 劳动力、 直接和间接成本，LTCC 被认为是一种非常好的开采方法，除了这些有利的决定 因素外，还需要走捷径，以便尽可能少地使用最新的工具和技术，并帮助以较低 的成本取得更好的结果。1982 年中国首先施行了放顶煤综合机械化开采工艺 （LTCC） ，并且此后中国一直处于世界领先水平。LTCC 主要应用于厚煤层和特厚 煤层，它作为一种安全高效的开采方式被推广至澳大利亚等国际市场，得到了世 界认可。顶煤是在矿山压力和支架反复支撑共同作用下破坏的，因此 LTCC 对煤 层条件依赖度高。同时顶煤的可放性和回收率是 LTCC 中最重要的参数，所以清 晰地解释和研究 LTCC 参数就显得尤为重要。 根据煤层特征, 顶煤放顶煤法可分为以下几类; 厚顶煤放顶煤与一个采矿周期 一般情况下, 该方法表明厚顶煤在一个采 矿周期内被塌陷。顶煤放顶工作面设置在煤层沿线, 目前在我国非常流行。这表 示, 如果工作面的开采高度为 2 米至 3 米, 焊缝倾角小于 15 度, 该方法效果最 好, 可提供高效的煤炭生产。 厚顶煤放顶煤与两个顶层煤层 在这一分类中, 将煤层分为两层, 首先选 择 2 至 3 米长壁工作面在煤层顶板下。 采煤后, 煤面顶板沿工作面底板, 两个工 作面之间的顶煤一般适用于厚度为 12 至 14 米、煤层含气量高、需要的软倾斜煤 层。提前提取。 部分矿山已进行预开采和分层, 剩余部分已通过放顶煤开采, 以防万一。 倾斜分层顶煤放顶煤 在这里, 当煤层厚度超过15至20米时, 使用与煤层水平 平行的坡度。 煤层被划分为厚度为8至10米的两个或两个以上的倾斜层 部分, 随后进行了顶煤放顶开采。在南斯拉夫, Virindi 该矿采用这种方法开采了厚度 在 80 至 150 米的褐煤。该方法也适用于我国厚度超过 2 0 米的煤层。 预采中的顶煤放顶煤 这一部分告诉我们, 普通的煤面被安排在中间层, 让顶 煤脱落。 唯一的煤不能堆在采空区; 在较低的水平上, 在综放顶煤中设置分段放 顶煤, 在采空区中积累的原生顶煤和顶煤由中间层矿区的顶煤释放。 这种方法难 以防止煤层自燃, 因此在我国和其他一些国家很少使用。 顶煤放顶煤的过程是; 1. 煤炭切割 综放放煤开采通常采用双辊采煤机沿机器一侧切割煤。切割深度 应为 0.6 至 0.8 米, 开采高度应为 1.8 至 3.2 米。 2. 支持为维护屋顶的末端稳定性, 由压机支撑。在采煤机上安装了原勘探梁 和防顶装置, 前勘探梁应延伸到采煤后立即支撑新暴露的顶煤。 3. 推进输送机 机架向前移动后, 输送机。如果使用一次到位, 可以在距离采 煤机约 10 米的地方完成输送机的移动。 万方数据 IV 4. 顶煤放顶煤 在顶煤放顶煤中, 应根据框架形式、 放顶孔的位置和几何尺寸、 顶煤厚度和破碎条件, 合理确定环通放顶煤台阶。 5. 拉扯后 传送带在放了我转动的顶煤后, 应该把一个拉回来。严禁在相反的 方向作业。拉煤液压支架通常滞后于 10 至 15 米, 应确保弯曲截面的长度。 巴基斯坦 THAR COALFIELD 位于巴基斯坦信德省 Tharparkar 区。 1991 年, 巴 基斯坦地质调查局 普惠制 和美国机构继续接触到全球第七大煤炭储量, 使 其实现了全球扩税。在信德省发现塔尔褐煤后, 巴基斯坦在全球前 2 0 名国家 名单中排名第七。THAR 河具有成本效益的煤层被限制在古新世和始新世的岩石 分类上。 THAR COALFIELD 占地面积超过 9, 000 平方公里。它是世界上最大的褐煤矿 床之一，约占该国煤炭的 80％，其储量估计超过 2000 亿吨。塔尔煤田划分为 12 个不同区块，如图所示。露天矿和地下采矿法在该地区的采煤过程中综合使用。 具体地说，12 个区块中的 2 号采区正处于露天采矿法的发展阶段，1 号采区和 9 号采区正在为地下采矿法做准备。经探测，煤层厚度为 12m，属于特厚煤层。根 据 THAR 的煤层参数和地质条件，放顶煤综合机械化开采工艺是最合适的开采方 式。他的煤被划分为褐煤或褐煤的巨大储量, 可用于燃料和发电目的。在本文的 这一部分中, 详细介绍了塔尔煤田、历史背景、地质、塔尔褐煤的化学成分和水 的存在。 因此， 本文针对 THAR COALFIELD 第 9 区块煤层的地质条件， 利用 UDEC2D 6.0 和 PFC5.0 对该区开采方式的相关参数进行计算与设计。 巴基斯坦至今未实现综合机械化生产，因此本文是首次探讨 LTCC 对 THAR COALFIELD 的适用性。首先，本文介绍了 THAR COALFIELD 第 9 区块煤层的具体 地质条件， 并针对性进行了 LTCC 参数设计， 然后用 UDEC 研究了顶煤的垮落情况， 最后通过 PFC5.0 模拟了不同采放比下顶煤的采出率。 THAR 煤田的煤层厚度为 12m，倾角为 07， 顶底板均为泥岩。 为了解释放顶煤综合机械化开采工艺（LTCC）的重要性，我整理搜集了该领 域的许多研究，在此过程中，我多次请教了企业伙伴、大学教授和采矿专家，以 获得一个内容丰富的研究结果， 在这里我一定要感谢巴基斯坦信德省煤炭管理局 对我在数据收集方面的帮助。因此，在论文的开头即为现场数据的深入分析，并 利用大量钻孔进行了多次室内试验，测量了岩土的参数。 在第一阶段的知识基础上，第二阶段也是最后阶段的研究集中于研究矿井的 实测数据，为建立二维数值模型提供了基础。重点研究了放顶煤综合机械化开采 工艺LTCC 开采过程中的放顶煤机理和适宜的顶煤回收率。 在多数情况下，地下结构的分析是非常困难的。然而，利用计算机进行数值 模拟，相对于部署复杂、时间紧迫的“物理模型” ，更加方便、快捷、可靠。该 模型采用二维 UDEC 进行建模。UDEC 等软件常用于模拟“长壁煤层地表及地下设 计的应力分散与变形” 。UDEC 依赖于离散元法 DEM LTCC 的建模实践如下 a 研究目的, b 数值模型建立, c 模拟结果验证, d 附加材料参数及边界条 件, e 模型网格建, f 运行数值模型和g 最终模拟结果分析。 在 UDEC 建模中，对煤及其围岩输入参数进行有效的测量，以获得可识别的 输出是非常重要的。考虑到这一观点，每个单元的力学和物理特性都是通过实验 万方数据 V 室测得的。需要指出的是，岩体性质不能直接地直接反映在模型中。在 UDEC 模 型中， “触点和块体”的岩石性质调整了材料的力学性能，并应根据这些性质进 行校正。然而，多项实证研究是通过各种实验室和现场实验确定的。为了更好更 有效的阐述，本文将岩体的材料特性用于建模。 UDEC2D 模型的开发 开发了两种 UDEC 数值模型, 两种数值模型由12米厚 的煤层组成, 每种数值模型分为两部分, 分别切割与放顶层高度比, 如 12 和 1 3。1 2 表示切割高度为 4 米, 塌陷高度为 8 米, 同样, 1 3 将切割高度测 量为 3 米, 放顶高度测量为 9 米。 为方便起见, 没有将多层薄层登记, 并将覆盖 层设计为相同的粘土石和硅石层。 考虑到基于计算机的运行时间和容量禁止的限 制, 从宽度为 2 0 0 米的 2 9 7 米的实际高度出发, 采用了 1 1 8 米高的模 型。这些数据将有助于在提取区域内测量失效分布、地面位移和精确应力变化。 该数值分析包括输入特性。 在初始阶段, 给出了边界条件, 并解释了本构关系和 材料性质。 之后, 模型运行到达到平衡阶段。 在本研究中, 利用逐步疏散的帮助, 从模型的左侧到右侧模拟了一个长壁模型, 每个阶段由 10 米的推进组成。为了 释放应力, 让顶煤正常塌陷, 采取了令人满意的时间步骤 8000*n, 其中 n 被 认为是循环数 。 利用 UDEC 软件探讨了 LTCC 在不同采放比下顶煤垮落情况与顶煤应力分布特 征。在不同采放比下，顶煤均发生了如下变换 长臂采煤工作面放顶煤 这展示了顶煤破碎的人为规划以及采煤的初始阶段开采空间上方顶煤不受 支撑并导致变形和破坏。在第 1 阶段，由于天然顶煤性质较坚硬，并没有产生任 何变形，因此在该步骤中顶煤中并未产生破坏和崩落并保持不变。然而随着工作 面推进，顶煤产生更多裂隙并扩展向深部，随着工作面推进至 20m，在第 2 阶段 的步骤二，顶煤充当梁并开始向下弯曲。值得着重说明的是，在这一特定阶段， 顶煤平板部分开始分离并形成剪切断裂。随着工作面的持续推进，裂隙延伸得更 深更宽并由于顶煤与顶板分离不彻底而延伸至顶板之中。 工作面以同样的方式推 进 30 米，在阶段 3，裂隙立即扩展至顶煤并造成工作面后顶煤垮落。随着两个 模型中阶段 3 之后工作面继续向前推进， 顶煤以及直接顶进一步垮落造成分离不 彻底，并且裂隙向着模型顶部扩展。该模型清楚地展示了工作面后方顶煤的突然 垮落，这一结果与二维有限元模型结果一直。 长臂工作面周围应力变化 顶板的垮落和煤层的开采使得工作面周围的应力重新分布。工作面周围应力 变化情况对于巷道以及工作面支护的参数选取至关重要， 并且能够更好得了解顶 煤垮落过程。 在垂直和水平应力的模拟中， 长臂工作面周围垂直应力沿 Y 轴分布， 水平应力沿 X 轴分布。 放顶煤开采过程中应力集中现象发生于临近工作面的破碎 煤层和顶板中。 模拟显示了工作面推进方向前方多个距离垂直区域内应力的分布 情况，包括 3、6、9、12、15、以及 18 多个距离。 为获得真实的应力分布，将 12 米厚的煤层被分为不同的采放比，如 12 和 13。根据模拟结果显示，工作面顶煤以及顶部的垂直应力得到释放，应力释放 区域以及应力集中的区域随工作面推进而增大。 工作面顶煤和底部的垂直应力得 到缓解，应力消除区域和应力集中区域的大小随着面的推进而增大。必须考虑的 万方数据 VI 是，在顶板突然垮落后工作面前后的支承应力是连续的，并且随着工作面推进， 工作面前后的支承应力持续升高。 最大水平应力为 5 MPa，位于在采放比 12 长壁工作面前方 3 米处，采放比 13 在工作面前方 4m 处。 和 4 m， 1 3。 同时在相同的位置垂直应力大小为 10MPa。 两者都模拟了长臂工作面前方周围应力运动情况。因此，当工作面推进至距离初 始位置 30,40,50,60,70,80,90,100,110 和 120m 时， 在每个间隔之后逐渐对模型 进行修改。然而，对于这项研究，还未对模拟结果做出完整的解释，只简要讨论 了工作面前方垂直应力运动的变化取决于工作面的推进情况。 不同的研究人员根据原位延伸的结果确定了长臂工作面前方的应力分布。伴 随煤层在极端前支撑空间的最终垮落，最大应力区将向工作面前移动大约 2-3m。 相反的，当煤层与顶板无法分离时，垂直应力显着降至零，并且随后取决于煤层 的压实程度，采空区区域内垂直应力缓慢增大。 从模型获得距离工作面初始位置 30,40,50,60,70,80,90,100,110 和 120m 的 垂直应力分布。 通过数值模拟得到的工作面周围应力运动方面结果与明确尺寸的 影响向契合。 模拟结果表明， 采放比 13 时， 9m 厚顶煤很容易在工作面后方垮落。 相反的， 采放比 12 时，8m 厚顶煤的垮落结果令人困惑当工作面向前推进 70m 时，顶 煤无法完垮落至采空区内。因此，数值模拟研究表明，采放比为 13 时，工作面 顶煤的垮落情况较好，不会遇到困难。 随着采放比 12 模型中工作面向前推进 6m 或采放比 13 模型中工作面向前 推进 3m，工作面前方支承压力得到改善，从初始状态达到最大应力状态，大小 为 20MPa。 当前对于模型原始应力分布的研究比较清楚地表明，通过数值模拟得到的垂 直应力非常接近在地下实地测量的结果。原始场应力计算结果为 4.3MPa。 前面提到过，在工作面前方，最大的垂直支承应力分别位于采放比 12 模型 的 6m 处以及采放比 13 模型的 3m 处。 然而工作面前方支撑应力最大处的位置在 取决于工作面初始位置与工作面间隙。 这是其他学者对于煤层各区域分析的结果 并且给出了不同条件下最大垂直支承应力的受力区域。 为找出煤层内最大垂直应力区的位置，利用 UDEC2D 对塔尔煤矿 IX 号煤块进 行了数值模拟研究。由于煤层具有一定的厚度，在工作面前方较细裂隙处的应力 分布是沿煤层底板与顶板之间的煤层移动的。 得到了当垂直支承应力达到最大时工作面推进阶段。 例如, 当采放比12时， 随着工作面从 0m 推进至 3m，以及 3m 推进至 6m，最大垂直支承应力从工作面 1 到 4 之间以及顶层 1 到 8 之间获得。同样的，当采放比为 13 时，工作面从 0m 推进至 3m，最大垂直支承应力也从工作面 1 到 4 之间以及顶层 1 到 8 之间获得。 在两种不同采放比例模型情况下， 在工作面从距离初始位置 6m 处推进至 18m 处，在工作面之间以及顶层之间观测到的垂直支承应力值几乎相同。 此外，垂直位移（采放比 12 和采放比 13）的结果以米（m）为单位列出， 比如 1.50E00.1 表示该阴影的面积相当于 150mm 的垂直位移量。 煤的开采方式为 万方数据 VII 给定的椭球体，高垂直位移空间称为运动椭球提。相反，较小的位移值称为活动 区。 初采阶段，顶煤较为稳定，未发生破坏；随着工作面的推进，顶煤在超前支 撑压力下逐步发生破碎；当工作面继续推进，顶煤内产生了更多的裂纹，且逐渐 向顶板扩展；当工作面推进至一定距离后，顶煤发生冒落。经过对采放比为 1 2 与 13 顶煤垮落特征的对比，发现 13 的采放比更适合 THAR 煤田。同时， 本文也对顶煤内应力进行分析，采用 13 采放比时，顶煤内应力更为集中，更 有利于顶煤顶的破坏，使顶煤顺利采出。 用 PFC2D 数值模型的构造 为了能够探究顶煤的垮落机理以及顶煤回收率， 利用 PFC 对放顶煤二维垮落过程进行数值模拟。该软件可以模拟顶煤厚度、放煤 或者采煤间隔以及采煤方式对顶煤垮落的影响。PFC 模型使用 DEM 代码来模拟圆 球粒子的协同作用和运动。 在数值模拟过程中，假设不同颗粒的相互作用非常 小，颗粒为非弹性体。以下是数值中放顶煤模型的相关参数煤层厚度为 12m， 顶板厚度为 11m，模型宽度为 100m，模型采放比不同。 模型底部是红色颗粒，定义为煤。模型顶部是绿色颗粒定义为直接顶。这些 颗粒的初始速度为零，重力加速度为 9.81m/s2。模型边界的初始速度和加速度 也为 0。 模型外边界条件是颗粒之间相互作用力， 颗粒内部作用力保持颗粒完整。 尽管加速度和速度为零也可作为边界条件。 为了调节数值模拟, 提出了当煤矸石出模时拉丝过程结束的原理。间隔是一 个切割与一个图纸时, 脸前进 76 米。 通过计算采空区剩余煤粒的数量, 可以确定顶煤在推进过程中的采收率。下 面的公式显示了它是如何计算的; Rc Nd/Ni x100 Rc 是煤回收率最高的百分比 , Nd 是长期煤粉颗粒的数量, 镍是煤颗粒 的初始数量。 从放顶煤比例的偏差中复制了厚、大顶煤对顶煤采收率的影响。为了能够提 升它, 旧采矿工作中留下的废物被阻止提前到达图纸开口。 采用颗粒流软件 PFC2D 研究了放煤步距对顶煤采出率的影响，结果表明顶 煤放出率随放煤比距的增大而减小，同时采放比 13 时的放煤率大于 12 时的 放煤率。 此外，力链的测量代表了分散在颗粒中的强度，计算方法是使用离散元素。 一个宽的力链代表了相当大的粒子的强度，使它们不可能移动。强力区高度呈上 升趋势，但向后方呈凸出趋势。因此，无价值的矸石首先进入采空区，导致顶煤 以 12 的比例损失。同样的，当放顶煤采放高度比为 13 时，强力链的一部分区 域呈椭圆形，即为有利于开采顶煤的理想拉拔体。 此外，通过煤岩界面可以得到煤结构及当放顶煤采放比的影响。煤岩界面在 不同的采放高度比下的差异表现为 12 和 13。这可以分为前界面和后界面。工 作面推进过程中，后界面始终保持不变，前界面不断变化。由放顶煤采放比为 12 的情况可知，界面结构最适合按煤的外边界进行回采，可提高顶煤回收率。 万方数据 VIII 在工作面推进过程中，如图 12 所示，工作面后方的废石矸石到达钻孔深处。 因此，在放顶煤采放比为 13 的情况下，煤岩界面在采放比为 12 时的效果并不 明显理想。 因此， 建议采用 LTCC 时应采用一采一放的方法， 放出率可达 83.9％。 目前的研究的结果只是基于 UDEC 数值模拟的二维分析, 顶煤放顶煤的放顶 机理和顶煤采收率是本研究的首要目标。 未来可以利用 FLAC3D/3DEC 和 PFC3D 三 维分析软件研究放顶煤综合机械化开采工艺 （LTCC） 。 此外, 在今后的工作中, 将 考虑更多的因素, 同时与目前的研究工作进行比较。 关键词关键词长壁放顶煤开采；顶煤冒放机理；数值模拟；塔尔煤矿；顶煤采出率 万方数据 IX Contents 摘摘 要要 .............................................................................................................................................. I Abstract ........................................................................................................................................... II 扩扩 展展 摘摘 要要.................................................................................................................................. III List of Figures ............................................................................................................................... XI List of Tables .......................................................................................................................... XIIIIII 1 Introduction .................................................................................................................................. 1 1.1 Background ......................................................................................................................... 1 1.1.1 Comparison of LTCC with other Longwall s of Thick Coal Seams .................... 2 1.2 Literature review ................................................................................................................. 3 1.3 Research Objectives and ologies ............................................................................. 5 1.4 Applications of LTCC ......................................................................................................... 6 Summary .................................................................................................................................. 6 2 Thar Coalfield ................................................................................................................................ 8 2.1 Introduction to Thar Coalfield ............................................................................................. 8 2.2 Historical Background ......................................................................................................... 8 2.3 Chemical Composition ...................................................................................................... 10 2.4 General Geology ................................................................................................................ 10 2.5 Location of Accessibility ................................................................................................... 10 2.6 Water ................................................................................................................................. 12 2.6.1 Surface Water ................................................................................................................. 12 2.6.2 Ground Water ................................................................................................................. 12 2.7 Ground Water Source ........................................................................................................ 12 2.7.1 Ground Water Regime Thar Lignite Prospect ................................................................ 14 Summary ................................................................................................................................ 15 3 Parameters of Longwall Top Coal Caving ............................................................................... 16 3.1 Introduction ....................................................................................................................... 16 3.2 Classification of Top Coal Caving ....................................................................... 16 3.2.1 Thick top coal caving with one mining cycle ................................................................. 16 3.2.2 Thick top coal caving with two top coal layers .............................................................. 16 3.2.3 Inclined and stratified top coal caving ............................................................................ 17 3.3 The LTCC for Thar Coal ................................................................................................... 17 3.4 Principle of Longwall Top Coal Caving ............................................................................ 18 3.4.1 The LTCC equipment ..................................................................................................... 18 万方数据 X 3.4.2 The cutting system .......................................................................................................... 19 3.5 Advantages of LTCC ........................................................................................... 20 3.6 Process Parameters of Longwall Caving Face .................................................................. 20 3.6.1 The parameter analysis of longwall fully mechanized caving face ................................ 20 3.6.2 The Process of Fully Mechanized Top Coal caving ....................................................... 22 Summary ................................................................................................................................ 22 4 Numerical Modelling of Longwall Top Coal Caving ................................................ 24 4.1 Numerical Modelling ......................................................................................................... 24 4.2 The General Modeling Practice ......................................................................................... 24 4.3 Development of UDEC2D Model for LTCC .................................................................... 25 4.4 Selection of Physical and Mechanical Properties of Coal and its Surrounding Rock Mass ................................................................................................................................................. 28 4.5 Caving Mechanism of LTCC ............................................................................................ 28 4.5.1 Progressive Caving