近直立煤层大段高综放开采放煤工艺优化数值模拟研究

谭刚, 刘旭东, 张朝善, 崔智伟, 王耀辰, 李秀娟, 张建佳. 近直立煤层大段高综放开采放煤工艺优化数值模拟研究[J]. 矿产保护与利用, 2025, 45(2): 64-76. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2025.02.006
引用本文: 谭刚, 刘旭东, 张朝善, 崔智伟, 王耀辰, 李秀娟, 张建佳. 近直立煤层大段高综放开采放煤工艺优化数值模拟研究[J]. 矿产保护与利用, 2025, 45(2): 64-76. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2025.02.006
TAN Gang, LIU Xudong, ZHANG Chaoshan, CUI Zhiwei, WANG Yaochen, LI Xiujuan, ZHANG Jianjia. Numerical Simulation Study on Technology Optimization of Large Section High Fully Mechanized Caving Mining in Vertical Coal Seam[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2025, 45(2): 64-76. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2025.02.006
Citation: TAN Gang, LIU Xudong, ZHANG Chaoshan, CUI Zhiwei, WANG Yaochen, LI Xiujuan, ZHANG Jianjia. Numerical Simulation Study on Technology Optimization of Large Section High Fully Mechanized Caving Mining in Vertical Coal Seam[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2025, 45(2): 64-76. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2025.02.006

近直立煤层大段高综放开采放煤工艺优化数值模拟研究

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(52204163);中国博士后科学基金项目(2024T171006);中国科协青年人才托举工程项目(2022QNRC001);中央高校基本科研业务费项目(2024ZKPYNY04,2023YQTD02)
详细信息
    作者简介: 谭刚(1971—),男,工程师,国家能源集团新疆能源有限责任公司乌东煤矿,研究方向为煤矿开采及重大灾害治理,E-mail:11434801f@ceic.com
    通讯作者: 张朝善(1999—),男,湖北荆门人,博士研究生,主要从事放顶煤顶煤回收方面的研究工作,E-mail:Max_waczf@163.com
  • 中图分类号: TD823

Numerical Simulation Study on Technology Optimization of Large Section High Fully Mechanized Caving Mining in Vertical Coal Seam

More Information
  • 乌东煤矿西采区近直立煤层采用水平分段综放开采。为提高生产效率,可通过适当提升水平分段高度代替延长较短的工作面,因此需对大段高条件下近直立煤层水平分段综放开采顶煤运移规律进行研究并优化放煤工艺参数以提高顶煤回收率。结合现场实测数据建立了各层位顶煤块度级配下的放煤模型,通过颗粒流离散元数值分析得出了大段高条件下初始放煤及周期放煤过程中顶煤运移规律,并对不同放煤参数及放煤顺序的顶煤回收量及煤损情况进行分析,提出了适用于乌东煤矿B3−6工作面的合理放煤工艺。结果表明:大段高条件下,周期放煤过程中煤矸分界线的底口处有向右侧偏转回勾的趋势,放出口提前见矸导致后续多步的放煤量较小,煤矸分界线严重滞后于放煤口,遗煤区域较大,可适当采用过量放煤缓解分界线回勾程度;采用6 m采高时,在周期放煤前期时放出体发育、顶煤流动性更好,产生的遗煤区相对较小;采用2.4 m放煤步距条件下每步放煤量更多且有助于缓解见矸过快问题;采用分段大间隔放煤方式分可以有效减小煤矸分界线的影响,遗煤范围最少,顶煤回收率达到93.23%。

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  • 图 1  乌东煤矿三大采区分布

    Figure 1. 

    图 2  乌东煤矿西采区地质剖面

    Figure 2. 

    图 3  乌东煤矿西采区采掘布局

    Figure 3. 

    图 4  顶煤块度分布测量顶煤块度级配曲线(a)及顶煤块度组分曲线(b)

    Figure 4. 

    图 5  大段高综放开采初始模型

    Figure 5. 

    图 6  周期放煤煤矸分界线(a—第1次放煤;b—第2次放煤;c—第3次放煤;d—第4次放煤;e—第5次放煤;f—第6次放煤;g—第7次放煤)

    Figure 6. 

    图 7  周期放煤煤矸分界线(a—第4次放煤;b—第8次放煤;c—第12次放煤)

    Figure 7. 

    图 8  周期放煤煤矸分界线演化第3次放煤(a)及第12次放煤(b)坐标

    Figure 8. 

    图 9  采高4 m(a),采高5 m(b)及采高6 m(c)初始放煤煤矸分界线形态

    Figure 9. 

    图 10  4 m采高(a),5 m采高(b)及6 m采高(c)下每一步放出体反演

    Figure 10. 

    图 11  4 m采高(a)、5 m采高(b)及6 m采高(c)下周期放煤放出量变化

    Figure 11. 

    图 12  4 m采高(a)、5 m采高(b)及6 m采高(c)下放煤结束后煤矸形态

    Figure 12. 

    图 13  1.6 m放煤步距(a)、2.4 m放煤步距(b)及3.2 m放煤步距(c)下每一步放出体反演

    Figure 13. 

    图 14  各步距周期放煤放出量变化

    Figure 14. 

    图 15  1.6 m放煤步距(a)、2.4 m放煤步距(b)及3.2 m放煤步距(c)下放煤结束后煤矸形态

    Figure 15. 

    图 16  近直立特厚煤层倾向模型初始状态

    Figure 16. 

    图 17  放煤顺序示意图

    Figure 17. 

    图 18  顺序放煤(a)、端头逆序放煤(b)及分段大间隔放煤(c)下放出体反演

    Figure 18. 

    图 19  不同放煤方式各支架顶煤放出量

    Figure 19. 

    图 20  顺序放煤(a)、端头逆序放煤(b)及分段大间隔放煤(c)下煤矸形态

    Figure 20. 

    表 1  4#架放煤块度

    Table 1.  No. 4 hydraulic support coal drawing block degree

    顶煤块度
    范围/cm
    平均块度
    /cm
    质量
    /kg
    质量分数
    /%
    累积质量
    分数/%
    <105.07.6913.8313.83
    10~1512.55.419.7323.56
    15~2017.54.177.5031.06
    20~2522.51.472.6433.70
    25~3027.54.848.7142.41
    30~3532.514.6226.3068.71
    35~4037.517.4031.29100.00
    总计/55.60100.00/
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    表 2  12#架放煤块度

    Table 2.  No. 12 hydraulic support coal drawing block degree

    顶煤块度
    范围/cm
    平均块度
    /cm
    质量
    /kg
    质量分数
    /%
    累积质量
    分数/%
    <105.08.9212.6312.63
    10~1512.52.974.2116.84
    15~2017.53.174.4921.33
    20~30252.894.0925.42
    30~4032.59.9014.0239.44
    40~5037.521.0029.7569.19
    50~5552.521.8030.81100.00
    总计/70.60100.00/
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    表 3  24#架放煤块度

    Table 3.  No. 24 hydraulic support coal drawing block degree

    顶煤块度
    范围/cm
    平均块度
    /cm
    质量
    /kg
    质量分数
    /%
    累积质量
    分数/%
    <105.010.2514.6014.60
    10~1512.52.072.9517.55
    15~2017.54.115.8523.40
    20~2522.52.133.0426.44
    25~3027.53.474.9431.38
    30~3532.518.2826.0757.45
    35~4037.529.9042.55100.00
    总计/70.21100.00/
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    表 4  顶煤块度均值、标准差及变异系数

    Table 4.  Mean, standard deviation and coefficient of variation of top coal lumpiness

    支架编号块度均值/cm标准差/cm变异系数
    4#27.58712.7460.46
    12#39.23817.3200.44
    24#28.49611.8970.42
    整体31.77413.9880.44
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    表 5  工作面整体顶煤块度占比

    Table 5.  Percentage of overall top coal lumps in the working face

    顶煤块度范围/cm质量/kg质量分数/%累积质量分数/%
    <1026.8613.6813.68
    10~1510.455.3219.00
    15~2011.455.8324.83
    20~253.601.8326.66
    25~3011.155.6832.34
    30~3523.6712.0544.39
    35~4049.0324.9669.35
    40~5017.408.8678.21
    50~5542.8021.79100.00
    总计196.41100.00/
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    表 6  模拟煤矸颗粒参数表

    Table 6.  Parameters of simulated gangue particles

    岩层 法向刚度
    kn/(N·m−1)
    切向刚度
    ks/(N·m−1)
    密度
    ρ/(kg·m−3)
    块度
    /cm
    摩擦
    系数
    下位煤层 2×108 2×108 1440 0~30 0.4
    中位煤层 2×108 2×108 1440 40~55 0.4
    上位煤层 2×108 2×108 1440 30~40 0.4
    垮落矸石 4×108 4×108 2500 40~60 0.4
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    表 7  模拟顶煤颗粒块度级配表

    Table 7.  Simulated top coal particle lumpiness grading table

    顶煤块度范围/cm各层位顶煤颗粒体积占比/%
    下位顶煤中位顶煤上位顶煤
    <1042.29//
    10~1516.45//
    15~2018.03//
    20~255.67//
    25~3017.56//
    30~35//32.56
    35~40//67.44
    40~50/28.91/
    50~55/71.09/
    总计100.00100.00100.00
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    表 8  各采高损煤率

    Table 8.  Coal loss ratio of mining height

    采高/m 放煤总量/m2 遗煤量/m2 损煤率/%
    4 793.60 107.12 13.50
    5 768.00 101.76 13.24
    6 742.40 88.71 11.95
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    表 9  各放出步距损煤率

    Table 9.  Coal loss rates by different coal drawing interval

    步距/m 放煤总量/m2 遗煤量/m2 损煤率/%
    1.6 742.40 88.71 11.95
    2.4 779.52 93.31 11.97
    3.2 742.40 98.98 13.44
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    表 10  倾向模型颗粒参数

    Table 10.  Table of particle parameters for tendency models

    岩层法向刚度
    kn/(N·m−1)
    切向刚度
    ks/(N·m−1)
    密度
    ρ/(kg·m−3)
    块度/cm摩擦
    系数
    顶煤2×1082×1081440见区间级配0.4
    顶板4×1084×108250040~600.4
    底板4×1084×108250040~600.4
    垮落矸石4×1084×108250040~600.4
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    表 11  各放煤方式的顶煤回收率

    Table 11.  Top coal recovery rates for different coal drawing methods

    放煤方式放出量/m2回收率/%
    顺序放煤1027.8285.54
    端头逆序1061.2388.32
    分段大间隔1120.2393.23
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出版历程
收稿日期:  2024-12-22
刊出日期:  2025-04-15

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