基于黏結(jié)顆粒模型的特厚堅(jiān)硬煤層綜放開(kāi)采數(shù)值模擬研究

許永祥,王國(guó)法,李明忠,何 明,張金虎,周昌臺(tái),韓會(huì)軍

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開(kāi)采研究分院，北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013; 3.深圳大學(xué) 深地科學(xué)與綠色能源研究院，廣東 深圳 518060)

綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采方法(簡(jiǎn)稱綜放開(kāi)采)在厚及特厚煤層開(kāi)采中具有生產(chǎn)集中、高產(chǎn)高效和對(duì)煤層厚度變化適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)各大礦區(qū)得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展[1-3]。綜放開(kāi)采頂煤冒放性和運(yùn)移規(guī)律是影響開(kāi)采工藝和頂煤采出率的關(guān)鍵因素，破碎塊度較小或呈粉末狀的頂煤在冒放過(guò)程中呈散體流動(dòng)特性，無(wú)黏結(jié)散體介質(zhì)顆粒流模型能較好地近似模擬松散破碎頂煤的流動(dòng)特性，因而得到了廣泛應(yīng)用。

許多學(xué)者基于散體介質(zhì)理論，采用無(wú)黏結(jié)顆粒模型對(duì)綜放開(kāi)采頂煤冒放規(guī)律進(jìn)行相似模擬和數(shù)值模擬研究:王家臣等[4-5]基于散體介質(zhì)理論對(duì)不同采放比、放煤步距等參數(shù)下頂煤放出體形態(tài)和冒放規(guī)律進(jìn)行了多種方式的模擬研究;張錦旺等[6-7]基于BBR(煤巖分界面、頂煤放出體、頂煤采出率與含矸率)體系研究了工作面傾角對(duì)綜放開(kāi)采散體頂煤放出規(guī)律的影響;于斌等[8-9]采用散體隨機(jī)介質(zhì)理論研究了頂煤的放出特征對(duì)綜放開(kāi)采采出率和含矸率的影響;黃炳香等[10]采用散體模型試驗(yàn)的方法對(duì)煤層頂板為極松散細(xì)砂巖條件下的放煤工藝進(jìn)行了研究;楊勝利等[11]研究了散體頂煤對(duì)綜放開(kāi)采支架與圍巖相互作用關(guān)系的影響;馬英等[12]以散體隨機(jī)介質(zhì)放礦理論為基礎(chǔ)，建立了放頂煤時(shí)間預(yù)測(cè)方法;劉長(zhǎng)友等[13]以頂煤破斷塊度為特征量，分析了不同頂煤塊度以及頂煤塊度和矸石塊度相對(duì)差異時(shí)的煤矸流動(dòng)場(chǎng)特征。

上述研究均以頂煤為破碎散體狀假設(shè)為前提，并以散體介質(zhì)理論研究頂煤冒放運(yùn)移規(guī)律，研究結(jié)果表明散體介質(zhì)理論對(duì)于松軟或裂隙發(fā)育且易破碎為散體的煤層有較好的適用性，模擬結(jié)果與頂煤實(shí)際冒放規(guī)律相似。然而，榆神礦區(qū)埋深較淺的特厚堅(jiān)硬煤層綜放開(kāi)采實(shí)踐表明:常規(guī)大采高綜放(采高4.0～5.0 m)開(kāi)采條件下，堅(jiān)硬頂煤表現(xiàn)出整體性強(qiáng)、懸頂長(zhǎng)、冒落塊度大、冒放性差的特征。堅(jiān)硬煤層頂煤冒放過(guò)程若仍采用無(wú)黏結(jié)散體介質(zhì)顆粒流模型，則模擬結(jié)果與堅(jiān)硬頂煤實(shí)際冒放結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性存在較大差異，不能有效指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。因而，對(duì)于冒放性差的特厚堅(jiān)硬煤層而言，需考慮頂煤由整體結(jié)構(gòu)向散體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的演化過(guò)程。黏結(jié)顆粒力學(xué)模型(Bonded Particle Model,BPM)在采礦和巖土工程模擬中使用廣泛，應(yīng)用較成熟，主要用于礦山崩落開(kāi)采、邊坡穩(wěn)定和地下工程等領(lǐng)域[14-16]。黏結(jié)顆粒力學(xué)模型通過(guò)在散體顆粒間增加接觸黏結(jié)，可使散體顆粒形成具有整體力學(xué)特性的塊體結(jié)構(gòu)，黏結(jié)的存在使顆粒間具有抗拉和抗扭特性，能更好地模擬堅(jiān)硬頂煤的塊體結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征，模擬結(jié)果更加符合堅(jiān)硬頂煤實(shí)際破碎和冒放過(guò)程。

筆者以榆神礦區(qū)金雞灘煤礦超大采高綜放開(kāi)采工作面煤層賦存特征和開(kāi)采技術(shù)條件為基礎(chǔ)，對(duì)比無(wú)黏結(jié)顆粒和黏結(jié)顆粒模型力學(xué)特性，并基于黏結(jié)顆粒模型采用Itasca公司的PFC軟件對(duì)堅(jiān)硬煤層頂煤冒放結(jié)構(gòu)和覆巖結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行模擬，分析工作面支架-圍巖耦合支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性、頂煤冒放性和頂煤成拱特征，并提出相應(yīng)的破煤破拱措施。

1 無(wú)黏結(jié)顆粒與黏結(jié)顆粒力學(xué)模型對(duì)比

無(wú)黏結(jié)顆粒與黏結(jié)顆粒力學(xué)模型存在差異，因而其適用范圍和模擬研究對(duì)象也不盡相同，具體分析對(duì)比如下。

1.1 無(wú)黏結(jié)顆粒力學(xué)模型

無(wú)黏結(jié)顆粒力學(xué)模型通常采用線性模型(Linear Model)[17-18]，線性模型的力學(xué)性質(zhì)通過(guò)法向和切向剛度定義(圖1)，法向接觸力為法向重疊量與法向剛度的乘積，切向接觸力則是切向相對(duì)位移所引起的剪切力的累加，能夠在一定程度上反映顆粒的荷載歷史和路徑。兩顆粒接觸時(shí)，接觸力與相對(duì)位移關(guān)系可表示為

(1)

(2)

(3)

圖1 線性模型法向和切向剛度

1.2 黏結(jié)顆粒力學(xué)模型

黏結(jié)顆粒力學(xué)模型是在無(wú)黏結(jié)顆粒力學(xué)模型基礎(chǔ)上在顆粒間施加黏結(jié)(類似于巖石中的膠結(jié)物)，使顆粒間具有抗拉、抗剪和抗扭的力學(xué)特性，本文黏結(jié)顆粒模型選取使用較廣泛的平行黏結(jié)模型(圖2)，黏結(jié)后的顆粒表現(xiàn)出整體塊體力學(xué)特性，外部邊界表現(xiàn)為不規(guī)則形狀塊體，而并非無(wú)黏結(jié)顆粒力學(xué)模型的單個(gè)圓形邊界。

(4)

(5)

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(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

平行黏結(jié)抗剪強(qiáng)度計(jì)算式為

(13)

1.3 無(wú)黏結(jié)顆粒與黏結(jié)顆粒力學(xué)模型對(duì)比

無(wú)黏結(jié)顆粒模型通常采用線性模型，不考慮顆粒之間的黏結(jié)作用，因而兩個(gè)接觸顆粒為獨(dú)立的圓形個(gè)體，兩顆粒間僅產(chǎn)生法向力和切向力。黏結(jié)顆粒模型通過(guò)將多個(gè)圓形顆粒黏結(jié)為塊體結(jié)構(gòu)，顆粒間除具有線性模型的法向力和切向力外，還具有由黏結(jié)所形成的抗拉和抗扭轉(zhuǎn)能力。顆粒間黏結(jié)可以在顆粒間傳遞力和力矩，而線性模型和線性接觸模型則僅僅可以傳遞接觸點(diǎn)的力而不能傳遞力矩。平行黏結(jié)顆粒黏結(jié)的破斷可引起塊體分離，能很好地模擬煤體和巖體破裂損傷、裂紋擴(kuò)展和斷裂破壞過(guò)程。

圖3 千樹(shù)塔煤礦4.0 m大采高堅(jiān)硬煤層頂煤懸頂狀態(tài)

對(duì)于松軟或裂隙發(fā)育的煤層而言，頂煤強(qiáng)度低、易破碎，在礦山壓力和支架反復(fù)支撐擠壓作用下容易破碎為小塊或粉末狀，具有流動(dòng)特性，因而宜采用無(wú)黏結(jié)散體介質(zhì)顆粒模型進(jìn)行模擬;而對(duì)于堅(jiān)硬煤層而言，由于頂煤硬、強(qiáng)度高和整體性強(qiáng)，導(dǎo)致頂煤懸頂長(zhǎng)、冒放性差(圖3為千樹(shù)塔煤礦4.0 m大采高工作面頂梁上方頂煤完整狀態(tài)和尾梁上方懸空狀態(tài))，冒放過(guò)程中常出現(xiàn)大塊煤堵塞放煤口，且大塊煤的流動(dòng)性差，通常以滾動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)，如果仍采用無(wú)黏結(jié)散體顆粒模型，模擬結(jié)果與頂煤實(shí)際冒放過(guò)程存在較大差異。因此，黏結(jié)顆粒力學(xué)模型更適合堅(jiān)硬煤層綜放開(kāi)采的數(shù)值模擬，不僅能模擬頂煤在礦山壓力作用下的裂隙發(fā)育和結(jié)構(gòu)演化過(guò)程，而且還能模擬液壓支架尾梁擺動(dòng)時(shí)的二次破煤和破拱作用。圖4為無(wú)黏結(jié)顆粒和黏結(jié)顆粒力學(xué)模型模擬結(jié)果對(duì)比圖。此外，無(wú)黏結(jié)顆粒無(wú)法模擬工作面煤壁穩(wěn)定性，因而在建模時(shí)通常不建立煤壁模型;而黏結(jié)顆粒模型不僅能模擬綜放采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)，而且能模擬覆巖動(dòng)態(tài)失穩(wěn)時(shí)工作面煤壁穩(wěn)定性特征。

圖4 無(wú)黏結(jié)顆粒和黏結(jié)顆粒模型頂板結(jié)構(gòu)對(duì)比

圓形無(wú)黏結(jié)顆粒間的作用力分為法向和切向。法向力方向?yàn)閮深w粒中心連線，切向力方向?yàn)閮深w粒接觸點(diǎn)的公切線方向，因而拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力鏈沿拱結(jié)構(gòu)內(nèi)顆粒中心連線傳遞。而黏結(jié)顆粒破壞形成的不規(guī)則邊界形狀，能更近似地模擬冒放頂煤形狀不規(guī)則的特征，與圓形顆粒相比，其力鏈的傳遞并不需要通過(guò)不規(guī)則塊體形心，不規(guī)則的外形使其更容易相互咬合成拱，且拱結(jié)構(gòu)形式更加多樣。無(wú)黏結(jié)顆粒和黏結(jié)顆粒力學(xué)模型模擬頂煤拱結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖5所示。

圖5 無(wú)黏結(jié)顆粒和黏結(jié)顆粒力學(xué)模型成拱對(duì)比

2 黏結(jié)顆粒力學(xué)模型及液壓支架模型建模

2.1 顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)與宏觀力學(xué)參數(shù)標(biāo)定

巖樣和煤樣宏觀力學(xué)參數(shù)可由實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)得，而顆粒流計(jì)算則主要通過(guò)賦予顆粒和接觸細(xì)觀參數(shù)使巖樣和煤樣表現(xiàn)出一定的宏觀力學(xué)特性，且細(xì)觀參數(shù)與宏觀參數(shù)之間沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，需采用細(xì)觀參數(shù)試算的方式進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。通常可利用單軸抗壓、單軸抗拉、雙軸抗壓等數(shù)值試驗(yàn)，通過(guò)細(xì)觀參數(shù)的調(diào)整使數(shù)值模型的宏觀力學(xué)性質(zhì)(彈性模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度)與巖體實(shí)際力學(xué)性質(zhì)相近似。文獻(xiàn)[19-21]詳述了細(xì)觀力學(xué)參數(shù)與宏觀力學(xué)特性的標(biāo)定方法。煤體和巖體宏觀力學(xué)參數(shù)和顆粒細(xì)觀力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，2。

表1 煤體和巖體宏觀力學(xué)參數(shù)

Table 1 Macroscopic mechanical parameters of coal and rock mass

巖性抗拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa泊松比泥巖2.6555.00.26粉砂巖5.4837.90.24細(xì)粒砂巖4.2788.90.28泥巖2.3474.20.28中粒砂巖2.6424.80.27粉砂巖3.8777.60.22粗粒砂巖2.5486.20.23泥巖2.1423.90.25細(xì)粒砂巖3.1637.60.262-2上煤層1.6282.00.22

表2 顆粒模型細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

Table 2 Mesoscopic mechanical parameters of particles model

2.2 數(shù)值模型建立及模擬過(guò)程

圖6為金雞灘煤礦特厚堅(jiān)硬煤層超大采高放頂煤工作面黏結(jié)顆粒模型，同一巖層顆粒間采用平行黏結(jié)模型(Parallel Bonded Model)模擬層內(nèi)的整體層狀特性，不同巖層顆粒間采用光滑節(jié)理模型(Smooth Joint Model)模擬層間層理結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性，模型上方未模擬的上覆巖層采用等效載荷方式施加，模型兩側(cè)和底部邊界采用剛性墻體。

依據(jù)金雞灘煤礦一盤(pán)區(qū)東翼117超大采高綜放工作面煤層賦存特征進(jìn)行建模，煤層平均厚度為10.5 m，割煤高度6.3 m，放煤高度4.2 m，工作面中部采用天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部設(shè)計(jì)的ZY21000/35.5/70D型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架，支架結(jié)構(gòu)如圖7所示。液壓支架工作阻力21 000 kN，最大支撐高度7.0 m。由于采用二維平面模擬，模型中垂直平面的寬度為單位長(zhǎng)度(1.0 m)，實(shí)際液壓支架中心距為2.05 m，故模擬中液壓支架初撐力為8 272 kN，工作阻力為10 500 kN。液壓支架初撐力和工作阻力的模擬采用Fish語(yǔ)言編寫(xiě)伺服控制函數(shù)實(shí)現(xiàn):① 支架頂梁載荷低于初撐力時(shí)，開(kāi)啟伺服控制(伺服壓力為初撐力P1)并升架，直至頂梁載荷達(dá)到初撐力;② 頂梁載荷達(dá)到初撐力后，支架力學(xué)模型轉(zhuǎn)為線彈性模型，模擬支架增阻階段力學(xué)特性;③ 支架頂梁載荷超過(guò)支架工作阻力后，開(kāi)啟伺服控制(伺服壓力為支架工作阻力P2)并降架，模擬支架高阻讓壓時(shí)的恒阻狀態(tài)。模擬過(guò)程中，監(jiān)測(cè)煤層和覆巖的變形、破斷、位移以及支架載荷等特征。模擬中頂煤成拱可通過(guò)尾梁擺動(dòng)進(jìn)行破煤破拱，使大塊頂煤順利放出，頂煤冒放完成后，及時(shí)關(guān)閉放煤口并移架。

圖7 ZY21000/3.55/70D 型兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架

2.3 液壓支架承載和運(yùn)動(dòng)關(guān)系

根據(jù)液壓支架工作阻力特性曲線(圖8)，采用Fish語(yǔ)言編寫(xiě)液壓支架承載-運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，實(shí)現(xiàn)液壓支架承載和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的模擬。當(dāng)支架頂梁承載處于初撐階段或恒阻階段時(shí)，通過(guò)伺服控制原理實(shí)現(xiàn)液壓支架頂梁承載與運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián);當(dāng)支架處于增阻階段時(shí)，采用線彈性控制方式，即支架位移增量與頂梁載荷增量線性相關(guān)，載荷增量與位移增量的比值即為支架增阻剛度(Kz)。頂梁位置發(fā)生改變后，支架姿態(tài)發(fā)生改變，模擬過(guò)程中，每隔一定循環(huán)時(shí)步調(diào)用支架姿態(tài)控制函數(shù)，根據(jù)頂梁載荷確定頂梁的運(yùn)動(dòng)，采用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)(Inverse Kinematics)[22]求解并更新支架結(jié)構(gòu)位姿，姿態(tài)更新算法如圖9所示。

圖8 液壓支架工作特性曲線

圖9 支架姿態(tài)更新算法

2.4 尾梁擺動(dòng)破拱的實(shí)現(xiàn)

頂煤冒放過(guò)程中會(huì)形成不同形式的拱結(jié)構(gòu)，針對(duì)拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差異采用“小拱小擺，大拱大擺”的破拱對(duì)策(具體分析見(jiàn)后文)。尾梁擺動(dòng)采用PFC軟件中旋轉(zhuǎn)命令通過(guò)Fish語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，設(shè)定旋轉(zhuǎn)中心為尾梁與掩護(hù)梁鉸接點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為10°/s。對(duì)于不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)“小拱”，尾梁擺動(dòng)10°～15°時(shí)，拱結(jié)構(gòu)遭到破壞，即可反方向擺動(dòng)收回尾梁，避免影響煤流;對(duì)于穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)“大拱”，則繼續(xù)擺動(dòng)至40°～45°后反向收回，對(duì)頂煤形成強(qiáng)擾動(dòng)。

3 覆巖結(jié)構(gòu)特征與頂煤冒放結(jié)構(gòu)特征分析

3.1 覆巖垮落特征及礦壓顯現(xiàn)分析

圖10為工作面不同推進(jìn)度下，頂煤冒放和覆巖垮落特征。頂煤和直接頂初次垮落步距為45～50 m，工作面推進(jìn)約80 m時(shí)，下位基本頂關(guān)鍵層及其上部軟弱隨動(dòng)層初次垮落，工作面推進(jìn)約120 m時(shí)，上位基本頂關(guān)鍵層初次垮落。下位基本頂關(guān)鍵層可形成不穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu):由于一次采出煤層厚度大，直接頂薄，下位基本頂關(guān)鍵層下方空間充填程度低，離層空間大，所形成砌體梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵塊B主要依靠前、后鉸接點(diǎn)水平和切向作用力維持穩(wěn)定，后鉸點(diǎn)為已垮落觸底的穩(wěn)定下位基本頂(關(guān)鍵塊C)，而前鉸點(diǎn)作用處(關(guān)鍵塊A)下方為工作面近場(chǎng)“煤壁-支架-直接頂”不穩(wěn)定承載區(qū)，由于移架和放煤等工序擾動(dòng)，造成前交接點(diǎn)易失穩(wěn)，導(dǎo)致關(guān)鍵塊B水平推力不足而發(fā)生旋轉(zhuǎn)和滑移失穩(wěn)[23]，由于下方離層區(qū)較大，失穩(wěn)后重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為沖擊動(dòng)能，對(duì)支架-圍巖支護(hù)系統(tǒng)形成動(dòng)載沖擊。上位基本頂關(guān)鍵層可形成穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu):由于下部已垮落巖層的碎脹充填作用，上位基本頂關(guān)鍵層下方離層空間減小，關(guān)鍵塊B斷裂后發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉可觸及下部較規(guī)則垮落帶，且上位關(guān)鍵層距工作面采場(chǎng)較遠(yuǎn)，受采動(dòng)影響較小，易形成穩(wěn)定性較強(qiáng)的砌體梁結(jié)構(gòu)。

圖10 工作面覆巖垮落結(jié)構(gòu)演化

由支架循環(huán)末阻力監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖11(a))可知，由于工作面基本頂垮落前能形成穩(wěn)定的固支梁結(jié)構(gòu)，對(duì)支架的作用力主要為頂板變形壓力，相對(duì)于頂板破斷的壓力較小;當(dāng)下位基本頂斷裂后作用在支架上的力顯著增加，工作面來(lái)壓步距為10～20 m;頂板來(lái)壓時(shí)，支架總體處于較高的工作阻力狀態(tài)，來(lái)壓強(qiáng)烈時(shí)超過(guò)額定工作阻力，造成支架降架讓壓，支架頂梁最大下沉量小于300 mm，表明支架工作阻力選擇合理。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖11(b))可知:數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際基本一致，工作面整體穩(wěn)定性較好，現(xiàn)場(chǎng)工作面實(shí)際每天推進(jìn)約10 m，周期來(lái)壓步距10～20 m，周期來(lái)壓時(shí)支架承載超過(guò)工作面液壓支架安全閥開(kāi)啟壓力(48 MPa)，出現(xiàn)安全閥開(kāi)啟現(xiàn)象。由于頂煤冒放結(jié)構(gòu)的存在，支架接頂效果不同，支架所承擔(dān)的覆巖壓力也不同。當(dāng)支架接頂好時(shí)具有較好的承載能力;而支架接頂不好時(shí)，難以發(fā)揮支架的有效承載作用，頂板壓力主要由工作面煤壁承擔(dān)(圖12力鏈所示)。接頂不好時(shí)支架與頂板接觸面積小，支架承受載荷多集中在支架頂梁前部。這種現(xiàn)象在綜放工作面實(shí)踐中出現(xiàn)較多，對(duì)于四柱式支架表現(xiàn)為前立柱受力遠(yuǎn)大于后立柱，甚至出現(xiàn)拔后柱現(xiàn)象，而對(duì)于兩柱式支架則表現(xiàn)為平衡千斤頂受壓。

圖11 工作面來(lái)壓強(qiáng)度與工作面推進(jìn)距離關(guān)系

圖12 支架和煤壁承載力鏈

3.2 支架工作阻力分析

于雷等[24]基于頂板“懸臂梁-鉸接巖梁”結(jié)構(gòu)提出特厚煤層綜放支架工作阻力推導(dǎo)過(guò)程和計(jì)算式：

hicotα)-2(Ks-QB)(hj+1+fli+1+fhi+1cotα-

(14)

其中，Pz為綜放支架工作阻力;Kd為動(dòng)載系數(shù);B為支架中心距;Gd為頂煤的重力;Q為支架所承受的變形壓力;Ld為工作面控頂距;hd為頂煤的厚度;γ為頂煤容重;f為巖塊間的摩擦因數(shù);hi,li分別為第i層直接頂巖塊厚度和巖塊長(zhǎng);α為巖層裂隙角;K為采空區(qū)矸石剛度;s為采空區(qū)矸石的壓縮量;Δ為基本頂巖塊A的下沉量;c為支架合力作用點(diǎn)距煤壁的距離。式(14)中較為重要的參數(shù)為動(dòng)載系數(shù)Kd，動(dòng)載系數(shù)與工作阻力成線性相關(guān)，其取值范圍通常為1.5～3.0，而具體選擇時(shí)則具有很大的經(jīng)驗(yàn)性。此外，式(14)中其他參數(shù)(如采空區(qū)矸石剛度K和采空區(qū)矸石壓縮量s)在取值上也存在較大困難和經(jīng)驗(yàn)性。而數(shù)值模型的動(dòng)態(tài)計(jì)算能較好地求解覆巖結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)失穩(wěn)時(shí)的力學(xué)特征，圖13為數(shù)值模型動(dòng)態(tài)求解過(guò)程中頂板形成的“組合懸臂梁+砌體梁”結(jié)構(gòu)，當(dāng)砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)，支架所承受的工作阻力最大。

圖13 “組合懸臂梁+砌體梁”結(jié)構(gòu)

3.3 煤壁穩(wěn)定性分析

工作面回采過(guò)程中，煤壁整體穩(wěn)定性好，但當(dāng)工作面基本頂破斷來(lái)壓時(shí)，頂煤破碎程度提高的同時(shí)也伴隨著煤壁破壞，煤壁的破壞主要發(fā)生在煤壁的中上部。護(hù)幫板可以起到一定支護(hù)作用，可以防止破壞的煤壁片落，但破裂的煤壁在護(hù)幫板收回時(shí)仍會(huì)發(fā)生片幫。如圖14所示，工作面下位基本頂失穩(wěn)時(shí)，支架上方直接頂和頂煤沿工作面前方發(fā)生斷裂和破壞，頂煤超前破碎程度明顯增加，工作面煤壁前方出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，煤壁片幫深度通常介于0.3～0.8 m。

圖14 頂板來(lái)壓時(shí)直接頂破斷與煤壁破壞

3.4 頂煤冒放特征分析

堅(jiān)硬頂煤破碎塊度直接影響頂煤的冒放過(guò)程，隨頂煤塊度的增加，頂煤的冒放性逐漸變差，這是由于大塊頂煤在冒放過(guò)程中更易形成較穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)而影響頂煤的順利放出。頂煤冒放過(guò)程中，常出現(xiàn)冒放過(guò)程停滯現(xiàn)象，通過(guò)尾梁擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)破煤破拱，頂煤才得以放出。根據(jù)拱結(jié)構(gòu)前拱腳形成位置不同(尾梁上或掩護(hù)梁上)，可將拱結(jié)構(gòu)分為尾梁成拱和掩護(hù)梁成拱，拱結(jié)構(gòu)的后拱腳為采空區(qū)垮落的煤或矸石。對(duì)支架后方頂煤成拱結(jié)構(gòu)分析可知，不同塊度的頂煤可形成不同形式的拱結(jié)構(gòu)，如小塊散體瞬時(shí)動(dòng)態(tài)拱結(jié)構(gòu)、中等塊度不穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)、大塊度穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)，詳述如下。(注:為突出頂煤的塊體結(jié)構(gòu)，軟件采用fragment顯示黏結(jié)在一起的塊體顆粒，同一顏色代表顆粒屬同一塊體，不同顏色并不代表不同巖性，煤巖的區(qū)分可通過(guò)顆粒大小識(shí)別)。

3.4.1小塊散體瞬時(shí)動(dòng)態(tài)拱結(jié)構(gòu)

小塊散體瞬時(shí)動(dòng)態(tài)拱結(jié)構(gòu)特征:破碎的小塊頂煤在放出過(guò)程中，相互碰撞擠壓容易形成瞬時(shí)動(dòng)態(tài)松散拱(圖15)，這種拱的特征是顆粒之間相互作用力小，非常不穩(wěn)定而又非常容易形成，雖然不至于堵死放煤口，但會(huì)降低頂煤放出時(shí)的流暢度，增加放煤時(shí)間，降低放煤效率。

圖15 小塊頂煤放出過(guò)程中形成的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)松散拱

小塊散體瞬時(shí)動(dòng)態(tài)拱結(jié)構(gòu)破拱對(duì)策:采用尾梁小幅度擺動(dòng)(擺角10°左右)對(duì)小塊散體動(dòng)態(tài)成拱過(guò)程進(jìn)行小幅度擾動(dòng)，可提高頂煤放出過(guò)程的流暢度(即“小拱小擺”)。

3.4.2中等塊度不穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)

中等塊度不穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)特征:該拱通常由多塊(3～6塊)中等塊度煤矸相互咬合組成(圖16(a))，穩(wěn)定性差，拱結(jié)構(gòu)中任一鉸接點(diǎn)的失穩(wěn)將導(dǎo)致整個(gè)拱結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。中部支架后方頂煤成拱圖片難以獲取，出于安全考慮，圖16(b)為將尾梁處于半閉合狀態(tài)進(jìn)行拍攝的圖片(之前頂煤放出過(guò)程中出現(xiàn)了頂煤冒放停滯現(xiàn)象)，拱結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn)如圖16(c)所示。

中等塊度不穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)破拱對(duì)策:采用尾梁小幅度擺動(dòng)(10°～15°)，改變拱結(jié)構(gòu)咬合狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)破拱(即“小拱小擺”)。

3.4.3大塊度穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)

大塊度穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)特征:該拱通常由少數(shù)(1～3塊)大塊頂煤可以形成穩(wěn)定性較強(qiáng)的梁拱結(jié)構(gòu)(圖17)，橫跨放煤口，阻礙頂煤的放出。模擬中此種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較少，開(kāi)采實(shí)踐中這種現(xiàn)象多出現(xiàn)在工作面上、下端頭，主要是因?yàn)槎祟^頂板由于工作面?zhèn)认驅(qū)嶓w煤的支撐而形成懸臂結(jié)構(gòu)，造成工作面端頭頂板礦山壓力顯現(xiàn)程度明顯小于工作面中部，頂煤破碎不充分，出現(xiàn)較多的大塊煤。

圖17 大塊度梁拱結(jié)構(gòu)

大塊度穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)破拱對(duì)策:對(duì)于大塊煤和矸石組成的穩(wěn)定拱而言，拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較高，尾梁需要有較大的擺動(dòng)(40°～45°)和破煤能力才能破煤、破拱(即“大拱大擺”)。生產(chǎn)實(shí)踐中還可根據(jù)具體情況采用伸出插板的方式將大塊煤擠碎。

3.4.4掩護(hù)梁成拱

掩護(hù)梁成拱結(jié)構(gòu)特征:圖18為掩護(hù)梁成拱現(xiàn)象，該拱由冒落頂煤和采空區(qū)矸石或煤塊共同組成，由于前拱腳位于掩護(hù)梁上，成拱位置較高，因而無(wú)法通過(guò)尾梁擺動(dòng)將其破壞。在移架過(guò)程中，掩護(hù)梁上的前拱腳將失穩(wěn)，該拱遭到破壞。由于超大采高放頂煤液壓支架放煤口尺寸大、頂煤回收區(qū)范圍廣，掩護(hù)梁成拱的頂煤可在下次放煤時(shí)得到回收，不會(huì)造成頂煤落至采空區(qū)而無(wú)法回收。

圖18 掩護(hù)梁成拱現(xiàn)象

3.4.5頂煤塊度分布特征周期性變化

數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明頂煤冒落塊度分布規(guī)律具有雙周期性，即走向周期和垂向周期。

(1)走向周期

工作面開(kāi)采過(guò)程中頂板覆巖關(guān)鍵層呈現(xiàn)周期性斷裂，導(dǎo)致工作面礦壓顯現(xiàn)具有周期性，不同階段礦壓顯現(xiàn)程度的差異性導(dǎo)致堅(jiān)硬頂煤的破碎程度也具有差異性和周期性。圖19為頂煤放出過(guò)程中統(tǒng)計(jì)的頂煤塊度分布，沿工作面走向頂煤塊度分布規(guī)律呈周期性變化(走向周期)，且變化周期與覆巖來(lái)壓周期同步，即周期來(lái)壓期間頂煤破碎程度較高，塊度小;非周期來(lái)壓期間，頂煤破碎程度較低，塊度大。根據(jù)礦壓顯現(xiàn)程度和頂煤破碎程度不同，放煤過(guò)程中需要多次擺動(dòng)尾梁，才能使頂煤放出并見(jiàn)矸。頂板來(lái)壓期間，尾梁需擺動(dòng)0～2次;非來(lái)壓期間，尾梁需擺動(dòng)2～4次。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際開(kāi)采過(guò)程相似，但實(shí)際過(guò)程中大塊煤的尺寸比模擬中大，主要是由于實(shí)際開(kāi)采情況為三維空間，而二維模擬忽略了工作面長(zhǎng)度方向的尺寸。

圖19 頂煤塊度分布百分比

(2)垂向周期

由后部刮板輸送機(jī)交叉?zhèn)刃短幱^測(cè)和統(tǒng)計(jì)頂煤塊度分布發(fā)現(xiàn)，煤流平均塊度常出現(xiàn)周期性由小增大的現(xiàn)象(圖20)，該現(xiàn)象可通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行解釋。

如圖21所示，下位頂煤與支架頂梁、掩護(hù)梁和尾梁直接接觸，一方面在支架頂梁反復(fù)支撐作用下下位頂煤破碎充分，另一方面頂煤懸頂垮落時(shí)下位頂煤直接沖擊支架掩護(hù)梁和尾梁，沖擊破碎充分。這種頂煤塊度從下位頂煤向上位頂煤逐漸增大的現(xiàn)象在放煤過(guò)程中表現(xiàn)為初始放煤頂煤塊度小、煤流順暢，而后煤流平均塊度逐漸增、煤流速度降低，甚至出現(xiàn)頂煤成拱、放煤停滯現(xiàn)象，尾梁的往復(fù)擺動(dòng)破拱后，煤流量瞬間增大。上述現(xiàn)象多出現(xiàn)在非周期來(lái)壓期間，在周期來(lái)壓期間，頂煤破碎塊度整體減小，周期性由小增大現(xiàn)象變得不再明顯。

圖21 冒放頂煤塊度特征

3.4.6頂煤采出率分析

數(shù)值模擬頂煤采出率約為92%，而現(xiàn)場(chǎng)100 m試驗(yàn)監(jiān)測(cè)段頂煤采出率約為84%。采出率差異主要原因?yàn)?① 實(shí)際開(kāi)采為三維空間問(wèn)題，而模擬采用二維模擬(三維模擬計(jì)算量巨大)與實(shí)際情況存在一定差異;② 放煤人員對(duì)架后頂煤冒放情況掌握不清，主要靠經(jīng)驗(yàn)判斷放煤口關(guān)閉時(shí)機(jī)，而模擬過(guò)程能全面掌握架后煤矸分布，合理控制放煤口關(guān)閉時(shí)機(jī);③ 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況復(fù)雜，工作面兩端頭頂板側(cè)向懸頂結(jié)構(gòu)導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)程度低、頂煤冒放性差，而二維模擬則主要針對(duì)工作面中部進(jìn)行。

4 結(jié) 論

(1)黏結(jié)顆粒模型可更好地表現(xiàn)頂煤冒放結(jié)構(gòu)及頂板覆巖結(jié)構(gòu)演化特征，更適合堅(jiān)硬煤層綜放開(kāi)采過(guò)程的模擬。

(2)覆巖基本頂關(guān)鍵層可形成下位近場(chǎng)不穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)和上位遠(yuǎn)場(chǎng)穩(wěn)定砌體梁結(jié)構(gòu)。

(3)頂煤冒放過(guò)程中可能形成小塊度瞬時(shí)動(dòng)態(tài)松散拱、中等塊度不穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)與大塊度穩(wěn)定拱結(jié)構(gòu)，通過(guò)尾梁“小拱小擺、大拱大擺”的對(duì)策可實(shí)現(xiàn)高效破拱。

(4)頂煤破碎程度具有雙周期性，走向周期與周期來(lái)壓同步，垂向周期與支架對(duì)頂煤作用相關(guān)。