综放开采顶煤垮落角对放煤规律影响研究

杨大鹏，李新源，郭 宇，潘卫东，吴仁伦

(中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083)

厚及特厚煤层放顶煤开采中，顶煤在垂直方向加载及水平方向逐渐卸载作用下先破坏[1，2]而后破碎冒落于支架后方[3，4]，其破坏及破碎过程实质上是顶煤由拟连续体到散体的介质属性转化过程。受煤层硬度、节理裂隙发育程度及顶板条件等因素影响，未垮落顶煤在支架上方将形成不同的垮落形态，这种形态特征在微观上是呈台阶状，宏观上则可视为是具有一定倾角的斜线[5]，通常用垮落角进行描述。王家臣指出，坚硬煤层(f≥3)的垮落角小于60°，中硬煤层(f=1～3)的垮落角介于60°～80°，软煤层(f<1)的垮落角大于90°[6]。破碎后的散体顶煤经综放支架放煤口流动到后部刮板输送机的过程实质是受特定边界约束下的颗粒介质流动过程。因此，研究顶煤在未垮落顶煤及综放支架影响下的流动过程对于掌握顶煤放出规律具有重要意义。现有研究虽然关注到了综放支架对放煤过程的影响[7，8]，但却忽略了顶煤及直接顶在工作面走向上介质属性的差异性，而将顶煤及直接顶完全视为散体。

此外，破碎后的散体煤矸通常由只具内摩擦力而无内聚力或内聚力很小的大量块度不一的块体结构组成[14]，这些块体的几何形态通常很难通过定量的指标进行描述。多数研究中将煤矸块体简化为二维状态的圆形或三维的球形，这造成散体煤矸流动过程中运动阻力减小，导致散体煤矸流动特征发生变化。在考虑煤矸块体形态对其流动规律影响的基础上，通过将多个圆形颗粒进行刚性粘结的方法生成具有一定形态特征的煤矸块体，进而研究顶煤在未垮落顶煤的影响下的流动过程及放出规律。

1 数值模型及模拟方案

为研究顶煤垮落角对顶煤放出过程的影响，建立数值计算模型如图1(a)所示。模型长21m，煤层厚度设置为6m，机采高度2m，放煤高度4m，采放比1∶2，直接顶厚度4m。考虑到实际煤矸块体的不规则性，采用不规则六边形模拟煤矸块体形态，如图1(b)所示，其中顶煤等效直径为0.1m，矸石的等效直径为0.15m。……