综放开采顶煤三维放出规律的数值模拟研究

综放开采是一种先进的煤炭开采方法，它涉及在工作面下方支撑结构（如液压支架）上方对顶煤进行破碎并逐层释放的过程。顶煤在矿山压力的作用下，其力学特性与均匀岩体有所不同，这种差异对于开采效率和安全性至关重要。本文主要基于离散元的三维颗粒流程序（PFC3D）进行研究，这是一种强大的数值模拟工具，能够精确地模拟顶煤的放出过程。 首先，通过PFC3D模型，研究者构建了一个综合考虑了不同因素的三维数值模拟模型，这些因素包括采放比（开采的煤量与支撑结构间顶煤量的比例）、放煤步距（相邻两次放煤的时间间隔）以及顶煤放出体的形态。在初始放煤阶段，顶煤颗粒形成稳定的运动速度场和二次松散区域，表明开采过程中存在动态的力学行为。 模型结果显示，顶煤放出体呈现出支架所限制的类偏转椭球形状，随着放煤时间的增加，放出体的轴偏角以指数关系逐渐减小，这反映了顶煤释放的集中程度随时间的变化。同时，放出体的高度则以幂函数的方式增长，说明开采深度对顶煤分布的影响显著。顶煤放出体切割煤矸分界面时，会形成一个中心轴朝向采空区偏移的三维漏斗状表面，这是对顶煤流出路径的可视化描述。 研究还发现，不同的采放比和放煤步距对顶煤的采出率有显著影响。当工作面推进时，顶煤的采出率呈现出典型的渐进稳定效应，即开采初期可能会有较大的波动，但随着开采过程的深入，顶煤释放趋于稳定，这有助于优化开采策略和提升资源利用效率。 此外，文章引用了煤炭科学领域的分类号（TD823.49），表明其研究内容属于煤炭开采技术中的理论与方法范畴，并得到了国家自然科学基金煤炭联合基金项目的资金支持（U1361209）以及国家重点基础研究发展计划（973）的资助（2013CB227903）。研究团队由中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院和煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院的专家组成，体现了跨学科的合作和高水平的研究能力。 总结来说，这篇论文深入探讨了综放开采条件下顶煤放出的规律，借助PFC3D进行的三维数值模拟提供了宝贵的工程指导，对优化煤炭开采工艺、减少开采过程中的问题以及提高整体资源利用率具有重要意义。