基于三维离散元方法的特厚煤层放顶煤开采顶煤流动行为与放矿过程优化

《Particuology》：Top-coal flow behavior and caving process optimization in extra-thick coal seam LTCC based on 3D discrete element method

　　

•建立并验证了一种针对特厚煤层的顶煤放煤三维离散元模型。
•压力拱高度随累计放煤量呈对数增长，揭示了动态载荷传递机制。
•速度衰减系数被确定为连接放顶步距与顶煤回收效率的关键指标。
•间隔放煤比顺序放煤更能改善顶煤回收，通过促进更有利的流动条件。
•与分层放顶相比，整层放顶实现了显著更高的稳定回收率，提供了更大的采矿效率。

引言
长壁综采放顶煤（LTCC）技术，作为厚及特厚煤层安全高效开采的核心技术，自 20 世纪 90 年代以来已在中国得到广泛应用。该技术利用采动压力破碎顶煤，并通过液压支架的放煤口排出破碎煤，实现了采煤工作面高产高效 [1], [2]。经过三十多年的发展，中国在 LTCC 设备、工艺和理论方面取得了显著成就 [3], [4], [5]，为煤炭产业的可持续发展提供了重要支持。尽管 LTCC 技术带来了显著的经济效益，但顶煤回收率低的问题仍未得到根本解决，成为限制其进一步应用的瓶颈 [6], [7], [8]。在实际生产过程中，受顶煤破碎效果、流动路径、放煤行为以及放顶工艺参数选择不当等多种因素影响，采空区中残留大量煤炭。这不仅造成宝贵煤炭资源的浪费，也给煤矿安全带来严重隐患，特别是采空区自燃风险 [9], [10]。因此，研究顶煤流动和放煤行为，优化放顶工艺参数，对于提高煤炭资源回收率、确保 LTCC 工作面安全高效生产具有重要的理论和工程价值。

在 LTCC 开采过程中，顶煤经历复杂的演化过程，逐渐从完整煤体转化为破碎煤，最终成为松散、破碎的颗粒物质被排出 [11]。在此过程中，顶煤的流动和放煤行为受多种因素控制。全球学者已进行了广泛研究，取得了丰硕成果。Le 等 [12] 对顶煤破碎机制进行了深入研究，揭示了采动压力下顶煤的破坏演化规律。他们的研究表明，剪切破坏主导顶煤破坏机制，放顶过程对顶煤回收率有显著影响。Zhang 等 [13] 提出了分层放顶煤顶煤运移理论，指出顶煤的颗粒特性在放顶过程中产生“锁定 - 嵌入”效应和“松散 - 压实”循环。Wang 等 [14] 通过整合金属矿山的矿石放矿理论，建立了 LTCC 顶煤放煤的边界体比（BBR）理论体系，提供了对放矿体形态的定量描述。他们的研究显示，采矿影响指数随分层高度的增加线性降低，而顶煤回收率初始增加后下降。近年来，研究人员进一步研究了顶煤粒度分布对放煤行为的影响，发现放出顶煤的长度分布和放矿体体积随放煤高度的增加呈二次增长 [15], [16]。在不同顶板条件下进行的放顶实验确立了有利于顶煤放顶的顶煤与顶板强度匹配标准。通过协调精细化放顶工艺和初始开采阶段的分时放顶，资源回收率可以提高 5% 以上 [17], [18]。

然而，现有研究在揭示顶煤流动行为方面仍存在局限性。一方面，由于研究方法的限制，大多数研究 [9], [19], [20] 采用二维物理相似实验和 2D 数值模拟，无法准确复制三维地下空间中复杂的颗粒流动状态。虽然 2D 模型可以揭示顶煤流动的基本趋势，但它们无法准确描述三维颗粒轨迹和放矿体形态 [21], [22], [23]。另一方面，现有研究 [24], [25], [26], [27] 未充分考虑液压支架结构的动态影响。在实际放顶过程中，支架尾梁的摆角、滑板伸缩及其对顶煤的反复扰动显著影响顶煤流动路径和放煤效率。此外，放顶步距和放顶顺序等工艺参数对顶煤回收率的影响机制尚未完全阐明，不同采放比下顶煤回收率的变化规律仍有待进一步研究。

除了物理实验耗时长、成本高、难以实时监测内部煤岩流动过程的局限性外，实验研究也难以定量描述放顶过程中煤岩颗粒的微观流动特征 [28], [29], [30]。数值模拟可以克服这些局限性，并在探索颗粒介质流动行为方面具有显著优势 [31], [32]。与有限元方法相比，离散元方法（DEM）天生适合模拟大变形和不连续介质流动行为，已被广泛用于研究顶煤放煤中的颗粒流动过程。Song 等 [33] 开发了一种基于 DEM 的 LTCC 顶煤放煤渐进式分层破坏模型，实现了更接近现场数据的回收率，并揭示了煤边界的阶梯状沉降，具有更准确的初始放矿体模型。Wei 等 [34] 使用 DEM 系统研究了护帮梁倾角、护帮梁与尾梁长度比、尾梁旋转角对 LTCC 中顶煤回收、放矿体和顶煤边界的影响，并推荐了提高放煤性能的最佳支架结构参数。Liu 等 [35] 开发了一种 LTCC DEM 模型，研究刮板输送机上煤岩堆积物表面和内部含矸率的差异，并建立了基于 GBRT 的内部含矸率预测模型，确定开采高度、矸石块度和输送机速度为主要影响因素。除了上述实施外，其他基于 DEM 的研究成功重现了顶煤放煤过程中的关键特征，包括压力拱的形成与破坏、煤岩流动速度场分布和煤岩界面演化 [36], [37], [38]。然而，现有 LTCC 顶煤放煤的 DEM 研究主要采用 2D 模型或简化的 3D 模型，未能充分考虑支架尾梁摆动和滑板伸缩等实际操作元件的影响 [20], [32], [39], [40], [41], [42], [43]。尽管如此，建立基于真实支架结构和操作参数的 LTCC 顶煤放煤 3D DEM 模型，并系统研究不同放顶工艺对顶煤流动行为的影响，仍然是需要进一步探索的研究方向。

为了为特厚煤层 LTCC 工作面的安全高效开采提供更可靠的技术支持，必须系统研究顶煤流动和放煤行为，阐明不同放顶工艺下煤岩流动特征和顶煤放煤机制。针对现有研究在三维空间表征、动态支架结构影响和工艺参数协同优化方面的不足，本研究基于义马煤矿特厚煤层的地质和开采条件，使用三维离散元方法（PFC3D）建立了 LTCC 顶煤放煤数值模型。该模型使用现场测量数据进行了验证。在此基础上，系统比较了分层放顶和整层放顶工艺下的顶煤流动行为，分析了不同放顶步距（一刀一放、两刀一放、三刀一放）和放顶顺序（顺序放煤、间隔放煤）对顶煤回收率的影响。基于模拟结果，定量表征了压力拱演化和速度场分布，拟合了不同放顶步距下煤岩界面的演化方程。具体而言，本研究的创新贡献包括：（1）建立了压力拱高度随累计放煤量演化的定量对数方程；（2）在统一的 3D DEM 框架内系统评估了放顶步距、放煤顺序和放顶方法对回收率的综合影响；（3）提供了明确的多因素优化建议，可直接应用于类似特厚煤层的现场操作。研究成果可为优化放顶工艺参数、提高特厚煤层 LTCC 工作面的开采效率、减少采空区残煤提供理论指导和工程参考。

章节摘要
地质与开采条件
本研究以义马煤矿（义马煤业集团股份有限公司）的 13180 LTCC 工作面为工程背景。本节介绍义马矿区的开采条件，为后续分析和计算提供现场支持。

数值建模过程
采用粒子流代码（PFC3D）研究了 LTCC 工作面液压支架上方的顶煤流动。基于义马煤矿顶煤流动行为的现场测量，2-3 煤层被表征为典型的“三软”煤层，直接顶为厚度大、强度低的泥岩和砂质泥岩，在支架顶梁后方立即垮落。在采动压力和支架顶梁的循环载荷作用下，顶煤

模型适用性与局限性
为了增强数值预测的实用价值，有必要明确建立的 DEM 模型的适用域以及所采用简化方法对定量结论的潜在影响。
（1）该模型适用于“三软”煤层（软煤、软顶、软底），其中顶煤在放煤前已充分破碎并以颗粒状态存在，且直接顶由中等稳定的泥岩或砂质泥岩组成

结论
基于义马煤矿特厚煤层的地质和开采条件，本研究建立了 LTCC 顶煤放煤三维 DEM 模型，并利用现场数据进行了验证。系统分析了不同放顶工艺下的流动行为和放煤特性。主要结论和未来研究方向如下：
（1）放煤口开启后，煤体内部形成动态压力拱，并随放煤向上迁移

CRediT 作者贡献声明
朱湘谊：写作 - 初稿，监督，软件，方法，数据整理，概念化。宋浩杰：写作 - 审查与编辑，软件，数据整理。李宏伟：写作 - 审查与编辑，可视化，调查

利益冲突声明
? 作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本研究基于以下项目支持的工作：湖南省自然科学基金 - 青年基金项目（批准号 2024JJ6026）、湖南省教育厅科学研究项目 - 优秀青年项目（批准号 23B0314）以及博士引进科研启动经费（批准号 000303625）。

朱湘谊 | 宋浩杰 | 李宏伟