振动放顶煤技术原理与实践.pdf

第2 7 卷第1 期 岩石力学与工程学报 V 0 1 ．2 7N o ．1 2 0 0 8 年1 月C h i n e s eJ o u r n a lo f R o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n gJ a n ．，2 0 0 8 振动放顶煤技术原理与实践 赵阳升1 ，谢耀社2 ，郭金刚3 ，霍灵军3 1 ．太原理工大学采矿工艺研究所，山西太原0 3 0 0 2 4 ；2 ．中国矿业大学能源与安全学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 3 ．潞安矿业集团公司，山西襄垣0 4 6 2 0 4 擅要综放开采顶煤放出率低始终是困扰厚煤层开采的一大技术难题，系统介绍历时5a 进行的振动放顶煤的机 构设计、实验室试验、离散元数值模拟和工业试验研究的方法与结果。室内试验研究结果表明，振动最大影响范 围为0 ．6 5I T I ，振动频率选择1 ．0H z 效果较佳。离散元数值模拟结果表明由于增加水平运动的动力，振动水平力 与垂向力共同作用下，使顶煤实现分层逐层放落，从而降低混矸率，提高顶煤放出率。在潞安王庄煤矿5 2 0 9 工作 面进行工业试验，激振机构安装在掩护梁上，激振油缸推动力为2 0 0k N ，振动频率为0 ．8 ～1 ．0H z ，经6 个月的现 场试验与观测，由于振动机构的作用，使顶煤放出率平均提高3 ％。系统研究结果表明，振动放顶煤技术可以较 大幅度提高块裂项煤放出率，降低混矸率，是放顶煤开采的一项很有前景的技术。 关■词t 采矿工程；块裂顶煤；振动；试验研究；数值模拟；工业试验 中圈分类号lT D8 2 文簟标识码lA 文章编号1 0 0 0 6 9 1 5 2 0 0 8 0 1 0 1 8 7 0 6 T E C H N I C A L P P A N C P L EO F T o P C O A LC A V I N G Ⅵ礓T HV I B R A T I o NA N D 1 1 。 I T SP R A C T I C E Z H A O Y a n g s h e n 9 1 ，X I EY a o s h e 2 ，G U OJ i n g a n 9 3 ，H U OL i n g j u n 3 f 1 ．I n s t i t u t eo f M i n i n gT e c h n o l o g y ，T a i y u a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，T a i y u a n ，S h a n x i0 3 0 0 2 4 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo f M i n i n ga n d S a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 3 ．L u a nM i n i n gC o ．，L t d ．，X i a n g y u a n ，S h a n x i0 4 6 2 0 4 ，C h i n a A b s t r a c t L o wr e c o v e r yr a t i oo ft o p c o a li nt h ef u l l y m e c h a n i z e dc o a lm i n i n gi sah o tt e c h n i c a lp r o b l e m ．As e r i e s o fi n v e s t i g a t i o nm e t h o d sa n dr e s u l t so fm e c h a n i c a ld e s i g n ，l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s ，D E Mn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， a n di n s i t up r a c t i c eo ft h ev i b r a t i o nt o p c o a lc a v i n ga r ed e s c r i b e d ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e v i b r a t i o ne f f e c tr a n g eC a nr e a c h0 ．6 5mf a rf r o m 。t h er o o fo fm i n i n gs p a c e ；a n di t i sa l s of o u n dt h a tv i b r a t i o n f r e q u e n c y1 ．0H zi st h eo p t i m u mc h o i c e ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t e dt h a tt h et o pc o a lc o u l db e c a v e dl a y e rb yl a y e r ，w i t ht h ee f f e c to fv e r t i c a lw e i g h t ya n dh o r i z o n t a lv i b r a t i o n f o r c e sw o r k i n gt o g e t h e r ． C o n s e q u e n t l y ，t h ew a s t es t o n er a t i oi nm i n e dc o a lw a sd e c r e a s e da n dt h er e c o v e r yr a t i oo ft o pc o a lw a si n c r e a s e d ． T h er e s u l t so f6m o n t h si n s i t up r a c t i c ei nW a n g z h u a n gm i n e ，L u ’a nC o a lI n d u s t r yC o m p a n y ，d e m o n s t r a t e dt h a t t h er e c o v e r yr a t i oo ft o pc o a lw a si n c r e a s e db y3 ％i na v e r a g ew i t ht h ev i b r a t i o nm e c h a n i s m ．T h es y s t e m a t i c a l i n v e s t i g a t i o n sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a tt h ev i b r a t i o nt o p c o a lc a v i n gi sa na d v a n t a g e o u sa n dp r o f i t a b l et e c h n i q u e ， w h i c hC a ng r e a t l yi n c r e a s et h er e c o v e r yo ft o p c o a la n dd e c r e a s et h ew a s t es t o n er a t i o ． K e yw o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；b l o c k f r a c t u r e dt o p c o a l ；v i b r a t i o n e x p e r i m e n t a ls t u d y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； i n s i t up r a c t i c e 收■日期l2 0 0 7 0 3 1 8 修目日期l2 0 0 7 0 5 3 1 基金瞩目t 国家自然科学基金重点项I ；1 5 0 5 3 4 0 3 0 ，5 0 4 3 4 0 2 0 作誊筲介。赵阳升 1 9 5 5 一 ，男，博士，1 9 8 2 年毕业于山西矿业学院工程力学专业，现任教授、博士生导师、长江学者，主要从事采矿工程与岩石力 学方面的教学与研究工作。E m a i l y - s - z h a o 2 6 3 ．n e t 万方数据 1 8 8 岩石力学与工程学报2 0 0 8 钲 1 引言 中国厚煤层资源丰富，约占总资源量的4 5 ％， 厚煤层产量也占总产量的4 5 ％左右。1 9 8 2 年，综采 放顶煤开采技术在国内开始试验，经过1 0a 多的时 间，其技术逐渐成熟，并较大面积地推广使用，从 而使厚煤层长壁工作面的生产能力与经济效益大幅 度提高，而顶煤回收率却始终是国内工程与学术界 争议很大的问题。为提高顶煤放出率，国内进行了 许多基础和工业试验研究[ 1 9 ] ，如预裂爆破弱化 顶煤、预注水软化顶煤、放顶煤支架架型的变革等。 由最早 1 9 8 7 年 的潞安王庄煤矿的高位 4 3 0 9 工作 面 开天窗放顶煤支架，改变为今天的低位放顶煤支 架，放煤工艺也进行了很多试验与改革，如单刀 放煤、两刀放煤和三刀放煤，均取得了较好的效 果。 但无论如何，现行的放顶煤工艺全部是被动的 放顶煤工艺，即顶煤在项板压力作用下破裂，再经 过支架上方相对移动，而在白重作用下自由放落的 放顶煤工艺，这种工艺导致顶煤损失较大，混矸率 较高，特别对于中硬以上的煤层而言，顶煤破裂块 度较大，最大尺寸在3 0 0r f l l i l 以上的煤块占相当的 比例。本文定义单边最大尺寸大于放煤口1 ／3 的煤 块为“块裂顶煤”，“块裂顶煤”顶煤放出率低是国 内不可回避的事实。1 9 9 9 年，作者曾与古德生院士 就振动放矿理论与机构在放顶煤中应用的可行性进 行了深刻的讨论，认识到金属矿振动放矿与振动放 顶煤实施存在很大的差异【lo ’1 1 ] 前者是放炮崩落的 矿体堆积在一个矿仓内，达几万立方米矿体，振动 放矿设备工作过程中不需要移动；而后者支架在运 动，支架上方的煤量较少，而且金属矿山无瓦斯等 易爆炸气体，振动设备采用电机偏心激振的机构实 现振动，而放顶煤则绝不允许在支架上方安设电机 激振。为此，从2 0 0 0 年开始，历时6a ，作者H 与 潞安王庄煤矿合作，系统开展了这一领域的理论、 室内试验与工业试验的探索与研究。本文拟主要介 绍这项研究的试验、理论分析、技术原理和设备机 构以及现场工业试验情况。 2 振动放顶煤试验研究 2 ．1 振动放顶煤机构与试验台设计 在模拟放顶煤支架的掩护梁上安装锯齿型振动 板，该振动板由2 个往复运动小行程的油缸驱动， 动力由液压泵站供给，为实现驱动油缸的往复运动， 采用了P L C 可编程控制器与电液二位四通换向阀 执行，间隔换向。将装配了振动机构的低位放顶煤 支架置于中国矿业大学2 1 l 工程建设的l0 0 0t 试验 机的辅机机构内，为一长3 ．0m ，宽1 ．2I T I ，高2 ．0m 的三维结构，在支架上方堆积块裂岩块，即构成了 三维振动放顶煤试验台 见图1 。由于放顶煤过程 中，顶煤的运动主要靠自重和少部分矸石的重力推 动，因此试验中未增加上覆岩层载荷。试验用支架 参数为高2 ．0m ，长2 ．0m ，宽1 ．2m 。液压缸的推 力2 0 0k N ，工作压强2 5M P a ，行程5 0r e a l ，放煤 口尺寸为1 ．2m x 0 ．8m 。动力系统排量3 2L ／m i n ， 额定压力2 5M P a ，功率2 2 k W 。 图1 振动放顶煤试验台 F i g ．1 T e s tm a c h i n ef o rt o pc o a lc a v i n gw i t hv i b r a t i o n 2 ．2 试验方案设计与观测方法 选择振动频率0 ．2 ～1 ．6H z ，间隔0 ．2H z 进行试 验。激振力P 1 5 ，2 0 和2 5M P a 。按上述2 组参 数均匀设计，组合进行试验。 用块裂岩块作为块裂项煤，放顶煤开采的关键 问题是煤体在煤壁前方超前支承压力的作用下，破 裂而形成块裂顶煤的块度大小，其大小决定了顶煤 放落过程中是否能形成某种结构，导致放顶煤过程 停止。因此，放顶煤开采模拟最主要因素是岩块尺 寸的相似性，这就是用块裂岩块代替块裂顶煤的原 因所在；相反，由于块裂岩块不易破裂，因而可以 重复使用进行试验，以揭示相关规律。放顶煤试验 用岩块均采用煤系地层的砂岩和石灰岩，试验用岩 块块度分布情况见表1 。 将所有不同块度岩块采用不同颜色喷涂，并放 置于不同高度层位，在试验过程中拍摄岩块在观测 窗口的运动，即可分析出顶煤的运动规律、成拱概 率、成拱结构以及振动的作用机制。 2 ．3 试验结果 1 顶煤块度与成拱结构的关系 万方数据 第2 7 卷第1 期赵阳升，等．振动放顶煤技术原理与实践 1 8 9 表1 试验用岩块块度分布 T a b l e1 S i z ed i s t r i b u t i o no ft e s t i n gr o c kb l o c k 岩块最大长度，m m占百分比，％ 2 0 0 2 0 0 ～3 0 0 3 0 0 ～4 0 0 4 0 卜5 0 0 5 0 0 ～6 0 0 1 5 4 0 2 0 1 0 1 5 在实验室先后进行了2 0 次振动放顶煤试验， 表2 给出了自然放落项煤过程中顶煤成拱块度与成 拱结构试验结果。 表2自然放落项煤过程中顶煤成拱块度与成拱结构 试验结果 T a b l e2 E x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft o p c o a la r c h i n gs i z eV S s t r u c t u r eo fn a t u r a lt o p c o a lc a v i n g 成拱结构照片篙骝成拱方式 疾度，姗 z o o s 咙z 蒜蓉磐z o o ，z s 呲0 0 均。 z 0 0 s 蚴，蒜嚣s s 0 ，z o o 邝。 2 0 0 3 0 2 2 1 鬻黧4 烈5 01 0 0 2 0 0 3 0 2 2 。蒜嚣5 0 0 ，z s ∥0 0 注表中第3 张照片的尺寸依次代表沿支架宽度方向的左、中、右 3 个剖面上的块度。 试验用顶煤块度尺寸与放煤口最小尺寸之比大 于1 ／3 的岩块占总量的4 5 ％，在放煤试验过程中， 发现由4 块岩石在放煤口形成铰接拱的概率为5 ％； 由3 块岩石形成绞接拱的概率为1 5 ％。放煤过程中， 4 次铰接拱中，岩块最大块度均大于放煤口1 ／3 ，其 铰接拱形成的概率为2 0 ％。将块度与放煤口最小尺 寸之比大于1 ／3 的煤块尺度定义为成拱块度，相应 的煤块定义为成拱煤块。试验结果表明，放煤过程 中，成拱概率与成拱煤块比为0 ．2 0 ／0 ．4 5 0 ．4 4 ，即 成拱概率占4 4 ％。假设成拱概率与成拱煤块比呈线 性关系，即 n k p 1 式中n 为成拱概率，P 为成拱煤块占总煤量的比， k 为比例系数。 试验中发现，放煤过程形成的铰接拱是一种不 很稳定的结构，在较大扰动下，这种铰接拱结构容 易破坏，这就为振动放顶煤机构的设计提供了重要 的依据。 - 。 2 振动放煤过程中拱的破坏机制 针对上述块度分布的顶煤，反复进行了2 0 次振 动放顶煤试验。试验过程中，顶煤放落顺利，无一 次成拱事件发生，即成拱概率事件为0 。同时对自重 放煤过程中形成的拱结构，采用振动板激振方式，全 部打破了放煤过程中形成的铰接拱结构，使块裂顶煤 顺利放落。试验用块裂顶煤的最大块度为6 0 0m m ， 与放煤口最小尺寸的比为6 0 0 m m ／8 0 0 m m 0 ．7 5 。 由此可知，由于激振的作用，只要顶煤块度与 放煤口尺寸之比小于0 ．7 5 ，顶煤放落过程中就不会 形成铰接拱结构，从而阻止后续顶煤的继续放出。 科学地讲，由于激振作用大大放宽了顶煤成拱的块 度尺寸，即块度与放煤口尺寸比由0 ．3 3 放大到0 ．7 5 ， 从而使得放顶煤开采技术的适用煤层范围大大拓 宽，同时也使顶煤回收率大幅度提高。 3 振动影响范围 振动影响范围的大小，直接关系到振动放顶煤 的适用性。影响振动传播能的主要因素有振动频 率和振动力。为此，试验对振动频率和振动力进行 了组合试验。试验获得激振油缸压强、振动频率与 振动影响范围的关系曲线如图2 所示。由图2 可知， 振动影响范围与振动频率和振动力之间均呈幂函数 关系，且幂次小于1 ，随振动力增加，振动影响范 围的增加幅度递减，随振动频率增加，振动影响范 围的增加幅度递减。试验揭示出当激振油缸的压强 大于2 0M P a 和振动频率大于1 ．0H z 后，频率增加 对振动影响范围的影响不大，最大振动影响范围为 0 ．6 5m ，这是由岩体块度和摩擦力决定的。为此， 在现场振动放顶煤支架设计时，振动频率选择1 ．0 H z 效果最佳。 3 振动放顶煤的离散元数值模拟研究 采用二维离散元方法‘1 2 1 5 1 进行模拟振动放项 万方数据 1 9 0 岩石力学与工程学报 2 0 0 8 矩 巨 皇 匦 橛 零 玲 标 蜒 图2 激振油缸压强、振动频率与振动影响范围的关系曲线 F i g ．2R e l a t i o n s h i pc u r v e so fv i b r a t i n gf o r c e ，v i b r a t i o n f r e q u e n c yV s ．i n f l u e n c i n ga r e ao fv i b r a t i o n 煤，不同块度顶煤用不等径的球体模拟，由于非规 则块体离散元软件设计极为困难，故本文采用球体 单元模拟，在尺寸大小分布上与块体大小一致。由 于放项煤振动频率很低，仅1 ．0H z ，数值模拟试验 仅施加了往复的惯性力、重力以及振动板的水平摩 擦力，而未按严格的动力离散元计算。在数值模拟 中，块体模拟模型共选择9 个模拟参数 1 掩护 梁倾角； 2 支架后方煤矸堆落安息角； 3 支架上 方顶煤跨落角； 4 破碎顶煤最小半径； 5 破碎顶 煤最大半径； 6 松散顶煤孔隙率； 7 松散顶煤摩 擦因数； 8 放煤插板伸出长度的水平投影值； 9 松散顶煤与放煤通道之间的摩擦因数。振动放项煤 的离散元模型如图3 所示，可分为无振动条件仅有 重力的自然放顶煤和施加重力与振动力的振动放顶 煤。通过离散元模拟结果可知在振动条件下，块裂 顶煤放落过程实际上是一个不稳定拱的形成、破坏、 再形成、再破坏的动态放落过程；模拟由于振动板 的作用实际上是给块裂顶煤施加了一个方向周期 图3 振动放顶煤的离散元模型 F i g ．3 D i s c r e t ee l e m e n tm o d e lf o rv i b r a t i o nc a v i n gt o pc o a l 变化的水平力和垂直力，从而调整和改变了单纯重 力作用的自然放落顶煤的运动规律。在重力作用下 的自然放煤，放煤区域的中心煤块仅有垂直速度， 放落速度快，而边缘区的顶煤下落速度较慢，煤块 是水平和垂直位移的叠加，而煤体水平方向仅受摩 擦力作用，而无水平动力，这是导致放煤边缘区顶 煤下落速度慢的原因，从而导致顶煤混矸严重，放 出率偏低 见图4 。而在振动板附加水平推力作用 下，增加了顶煤水平运动的动力，振动板附加水平 推力与垂向重力的共同作用，使顶煤实现分层逐 层放落，从而大大降低了混矸率，提高了顶煤放出 率 见图5 。 4 振动放顶煤的工业试验 4 ．1 试验工作面与振动装置安装概述 选择潞安王庄煤矿5 2 0 9 综采放顶煤工作面进行 振动放顶煤的工业试验，该工作面走向长度8 2 0m ， 工作面长度2 3 0 m ，煤层厚度6 ．8 m ，埋藏深度2 9 5 m 。 工业试验用振动放顶煤机构的主要拽拳参数为；振动 板宽度1 ．4 9 2m ，长度0 ．9 0 0m ，茬莓蘑0 j 黟O 面，激振 油缸推力2 0 0k N ，振动频率为0 ．8 ～I ．0H z 。 振动放顶煤装置安装在掩护梁上，试验共安装 2 个支架，分别为1 1 3 ”和1 1 4 支架，距机尾4 5m ， 该区域一般是矿压显现偏弱、顶煤破碎较差，块度 较大的难放落区。振动用动力由工作面乳化液泵站 供给，从支架的总供液管路接一个分支供液管，中 间连接一个截止阀，进入激振阀。打开截止阀，激 振阀就开始工作，带动振动装置产生往复运动，实 现振动放顶煤开采。在使用过程中，可调节激振阀， 实现频率与振幅的改变，以达到最佳的放煤效果。 4 ．2 工业试验结果与分析 自2 0 0 4 年3 月在井下工业试验开始，持续进行 了6 个月的观测，证明液压激振形式的振动机构可 以满足工作面恶劣的工作环境，诸如粉尘、矿压和 落煤的冲击作用等。表3 给出了振动放顶煤放煤块 度与顶煤放出率对比情况，由此可得出如下结论 1 振动具有破煤作用，使顶煤的块度普遍降 低，大于3 0 0i I l n l 的块度 约l ／3 的放煤口最小尺寸 数量降低约5 9 ％。 2 振动可以提高顶煤放出率，使顶煤放出率 平均提高3 ％。 3 振动可以大幅度降低放煤过程中的成拱概 率，成拱概率可以降低9 ．3 ％。振动具有明显的破拱 作用，在试验过程中，观测到相邻许多支架有明显 的成拱现象，而且阻止了后续顶煤的放落 见图6 ， 万方数据 第2 7 卷第1 期 赵阳升，等．振动放顶爆攮术原理与实践 1 9 1 图4自然放顶煤的离散元模拟放煤过程 F i g ．4 D E Mn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fn a t u r a lt o p c o a lc a v i n g 图5 振动放顶煤的离散元模拟放煤过程 F i g ．5D E Mn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fv i b r a t i o nt o p c o a lc a v i n g 表3 振动放顶煤放煤块度与顶煤放出率对L 七 2 0 0 4 年 T a b l e3 C o a ls i z eV S ．t h er e c o v e r yr a t eo ft o p - c o a li nv i b r a t i n g t o pc o a lc a v i n g i n2 0 0 4 注表中Y 表示使用，N 表示不使用。 a 1 0 5 “无振动支架 观测时间2 0 0 4 年3 月1 1 日 b 1 2 1 ’无振动支架 观测时间2 0 0 4 年3 月9 日 c 1 0 8 。无振动支架 观测时间2 0 0 4 年3 月1 1 日 万方数据 1 9 2 岩石力学与工程学报2 0 0 8 笠 d 1 0 3 振动放顶煤支架 观测时问2 0 0 4 年3 月1 1 日 图6 井下振动与非振动放顶煤形成的拱式结构素描图 F i g ．6A r c h i n gs t r u c t u r ed r a w i n go fv i b r a t i o na n d n o n - v i b r a t i o nt o pc o a lc a v i n g 但安装振动机构的支架即使偶然有些拱式结构，也 很快被破坏，从而保证了顶煤的顺利放落。⋯i 5 结论 通过振动放顶煤的实验室1 1 模拟试验、离 散元数值模拟试验和王庄煤矿现场工业试验，可以 得出如下结论 1 最大振动影响范围为0 ．6 5m ，振动频率选 择1 ．0H z 效果较佳。 2 由于增加了水平运动的动力，振动水平力 与垂向力共同作用下，使顶煤实现了分层逐层放落， 从而降低了混矸率，提高了顶煤放出率。 3 潞安王庄煤矿5 2 0 9 工作面工业试验，激振 机构安装在掩护梁上，激振油缸推动力2 0 0k N ，振 动频率为0 ．8 ．- 一I ．0H z ，经6 个月的现场试验与观测， 由于振动机构的作用，使顶煤放出率平均提高3 ％。 4 液压激振的机构形式适合放项煤支架上方 的恶劣工作环境，且安全可靠。 由此可知，振动放顶煤技术可以较大幅度地提 高块裂顶煤放出率，降低混矸率，是放顶煤开采的 一项很有前景的技术。 参考文献 R e f e r e n c e s 【1 】1靳钟铭．放顶煤开采理论与技术【M ] ．北京煤炭工业出版社， 2 0 0 1 ． J I NZ h o n g m i n g ．T h e o r ya n dt e c h n o l o g yo nt o p c o a lc a v i n g [ J ] ． B e i j i n g C h i n aC o a lI n d u s 时P u b l i s h i n gH o u s e ，2 0 0 1 ． i nC h i n e s e 【2 】2赵阳升．矿山岩石流体力学【M 】．北京煤炭工业出版社，1 9 9 4 ． Z H A OY a n g s h e n g ．R o c k - 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