（采矿工程专业论文）基于opengl放顶煤顶煤运动规律的三维可视化仿真.pdf

摘要 摘要 本文主要研究三维可视化技术的原理并应用到放顶煤系统中。三维可视化是 将可视化提高到三维层次，它的含义是在计算机三维上显示现实世界以及模拟人 们无法直接观察到的世界、过程及细节等的信息。因此三维可视化可以说是可视 化技术的核心。 本文从图形学入手，通过对图形生成算法、坐标变换、真实感图形显示等算 法的研究来探讨三维可视化的实现原理，通过研究三维可视化的过程来确定放顶 煤顶煤运移规律的三维可视化路线。 本文通过现场调研，运用散体顶煤运动仿真模型，用v c + + 6 0 和0 p e n g l 开发 了放顶煤顶煤运移规律的模型三维可视化仿真系统，对顶煤放出体扩展过程、放 煤漏斗形成过程等进行了动态模拟研究。同时研究了放煤步距、放煤间距等放煤 参数对产量、放出率、含矸率的影晌。实现了放顶煤模型的三维可视化与任意角 度显示，模型的修改与实时动态更新等功能，确定了合理的放煤参数。 图【2 9 】表【6 】参考文献【4 9 】 关键词：三维可视化；顶煤运移规律；0 p e n g l 放煤漏斗：实时动态 摘要 a b s t r a c t i nt h i sd j s s e r t a t j o n ，w em a i n l yr e s e a r c ht h ep r i n c j p l e so f3 dv i s u a l i z a t i o na n d a p p l i c a “o n ， i nt h em l eo ft h er o o fc o a lm o v i n gs y s t e m a tt h es a m et i m e ，j t s a p p l i c a t i o nf i c l d sh a sb e e ne n l a 唱e da n d i t sp r o d u c t i o n sa p p e a rs t r e m e n d o u s l y 3 d v i s u a l i z a t j o nt e c h n o l o g ye n h a n c e sv i s u a l i z a t i o nt o3 ds p a c el e v e l b yt h et e c l l l l o l o g y t h er e a lw o r l di sd i s p l a y e di nc o m p u t e r ，t h eu n s e e nw o r l d ，t h ep i d c e s s e sa n dt h e d e t a i l s a r es i m u l a t e d t h e r e f o r et h e3 d s u a l j z a t i o ni st h ee s s e c eo f s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y 。 t h i st h e s i sd i s c u s s e st h er e a l j z e dp r i n c i p l eo f3 dv j s u a l i z a t i o nb yf e s e a r c h i n g g r a p h i c sa r i t h m e t i c s ，c o o r d j n a t et r a n s f o r m a t i o n h i r dd i m e n s i o ng r a p h i c sd i s p l a ya n d s oo n ，t h er e a l i z e dr o u t ei sd e c i d e db yr e s e a r c h i n gt h ep r o c e s s e so f3 d s u a l i z a t i o n b y1 0 t so fo n t h e - s p o to b s e r v a t i o n ，t h ep a p e r su s i n gv c + + a n do p e n g lt h e f e p l a c em o d e li m i t a t et h em o v i n gp r o c e s so ft o p c o a la i l dt h em o v i n gp r o c e s so fm e f i l l e ro ff a l l i n gt o p c o a l s t u d j e dt oc o a l c a v i n gp a c ed j s t a n c e ，c o a l c a v i n gi n t e r v a l t h e m e a n t i m e ，a n di np r o p e ro r d e re t c c o a l 一c a v i n gp a r a m e t e rt oi n n u e n c et h ey i e l da n d1 e t o u tr a t e ，w i t ht h es t o n er a t e c a r r yo u tt oc o a l c a v i n gm o d e lo f3 dv i s u a l i z a t j o nt ot u m w i t hr a n d o ma n 出em a n j f c s t a t i o n ，t h em o d i f i c a t i o no ft h em o d e lw i t hd y n a m i cs t a t e 徊a e w a le t c m a k es u r er e a s o n a b l eo fc o a l c a v i n gp a r a m e t e i f i g u r e 【2 9 】t a b l e 【6 】r e f c r e n c e 【4 9 】 k e y w o r d s ：3 d s u a l i z a t j o n ，t h er u l eo ft h et o p c o a l sm o v i n g ，o p e n g l ，n ef u n n e lo f c o a lc a v i n g ，r e a lt i m ed y n a m i cs t a t e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徼堡王态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：街塾蠡日期：凌d 年j 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于量徽堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：籍匆1 走 锄签名历惠0 签字日期：伽侔6 月f f 日 签字b 熟：如6 年a 心b 1 绪论 1 绪论 1 1 研究目的与意义 随着计算机软件和硬件突飞猛进的发展，计算机图形学在各个行业的应用也 得到了迅速普及和深入。目前，计算机图形学己进入三维时代，三维图形在人们 周围无处不在。魁力无穷的计算机广告，扣人心弦的三维游戏，声势浩大、震撼 人心的影视特效，无一不是三维图形大显身手的得意之作。科学可视化、计算机 动画和虚拟现实已成为近年来计算机图形学的三大热门话题，而这三大热门话题 的技术核心均为三维图形。当前，三维图形己在军事、航空、航天、医学、地质 勘探、文化娱乐和艺术造型等方面有着十分广泛的应用。 近年来，三维可视化己经成为数据合成分析、过程演示、机械加工制造等领 域的重要研究手段，并且不断地向各个应用领域扩展。鉴于它巨大的潜力和广阔 的应用前景，许多国家已投入大量的人力和资金进行这方面的研究，一些国家甚 至把它上升到产业竞争的高度。三维可视化的工具和应用研究已成为当今的热点。 仿真是以计算机系统为基础，根据用户的要求，建立实际系统的数学模型，并使 之转换为仿真模型，在不同的情况下，在计算机系统中运行演示，从而真实的展 现实际系统运行状态的过程。 三维可视化技术是9 0 年代后才发展起来的前沿信息应用技术，目前在工程设 计领域对三维建模的研究相对较多而且也较为成熟，但是放顶煤三维可视化和工 程设计中物体三维模型的建立有很大不同。在工程设计中物体三维模型具有形状 规则、要求明确、尺寸确定而且占据的空间范围有限等特点而在放顶煤的三维模 拟中，模拟的对象非常复杂，原始数据往往是离散的、分布不均匀的、不完整的、 在空间中呈随机分布的。因此，工程设计领域的三维软件在放顶煤三维模拟中一 般难以直接应用。因此对其的研究具有一定的意义。 在生产实践中，放项煤开采的发展是迅速的。但由于放顶煤开采项煤放出规 律的研究尚处于探索阶段。对于采出率，含石于率，以及合理放煤工艺的参数的选 取等问题的解决基本上仍是靠经验类比，缺乏科学依据。针对目前研究中存在的 缺点和不足，本论文通过对散体运动规律的理论分析对急倾斜开采顶煤放出结构 以及松散顶煤的落放过程和放出规律进行了深入分析，根据放煤规律理论模型， 并对具体条件下利用基于o p e n g l 的计算机三维可视化仿真和动画技术，在v i s u a l c + + 6 0 程序丌发环境下，模拟在放顶煤现实环境下的顶煤运动可视化的运行过 安徽理工人学硕士论文 程，根据放煤原理将内部数字运算过程通过可视化技术显示出来，探讨放煤步距 及放煤顺序与顶煤采出率之间的关系以确定合理的放煤步距、放煤顺序、提高采 出率、降低含矸率。 1 2 国内外研究现状 有关顶煤运动规律的研究方法主要有三种：理论分析法、实验分析法和计算机 仿真法。波兰j e r z vl i t w i n i s z v n ，前苏联b b 库里柯夫，我国的王泳嘉、任凤玉 等人，将概率论方法用于分析顶煤的运动过程，建立了顶煤运动的随机介质放矿 理论；我国朱家祯、吕爱忠等人应用粘性流体力学理论研究散体的流动过程，给出 了相应的理论方程。这些研究工作采用的方法，都可视为理论分析法。在另一方 面，前苏联的k h 米纳耶夫、t m 马拉霍夫，我国的刘兴国、苏宏志、赵庆和、 任风玉等人，依据由实验得出的放出体形态，建立了描述散体运动现象的各种方 程，形成了完整的椭球体放矿理论。国内外从事这一理论研究的人最多，应用也 最为广泛，所用的研究方法均可视为实验分析法。此外加拿大d a v i dj o l l e v ，前苏 联的b p 依梅尼托夫，我国的霍祖照、王泳嘉、任凤玉、钟淑玉等人，将散体视 为随机运动的离散性介质，将散体的移动过程视为空位自下往上传递和颗粒自上 往下填补空位的过程。编制了仿真程序，用计算机仿真了不同边界条件下散体运 动过程，得出了不同采场结构参数矿石的损失贫化率，用于优化崩落法的采场结 构参数。这一方法可视为计算机仿真法。计算机仿真法目前已成为预测采矿法矿 石回采率的最有效的方法之一。 1 2 1 项煤冒落规律的研究 顶煤的运动是典型的散体运动，过去人们为了减少顶煤损失降低含矸率，在 研究放顶煤时，对散体的运动规律进行了大量的研究并提出多种放顶煤理论。这 些理论从不同侧面描述了散体的运动过程。 1 2 1 1 椭球体放矿理论对顶煤运动过程的描述 1 9 3 8 年，前苏联的米纳耶夫在实验研究的基础上提出了放出体为旋转椭球 体的概念。5 0 年代初，马拉霍夫出版了专著崩落矿块的放矿一书。书中用大 量的实验证实了放出体是旋转椭球体的结论。他提出了放出体过渡的概念，认为 散体放出过程是较大的椭球体向较小的椭球体过渡的过程，椭球体表面的颗粒同 时到达出矿口。国内东北大学刘兴国教授，在研究马拉霍夫放矿理论中发现，放 2 1 绪论 出体与等速体不能同时为椭球体，且等速体不存在过渡关系。他认为放出体的过 渡关系是成立的，即放矿过程散体颗粒点从较大放出体表面完整地过渡到较小的 放出体表面，颗粒群呈椭球体形状向出矿口移动。东北大学任凤玉教授认为，放 出过程散体的运动场是管形场，提出散体连续流动条件的检验方程，限定了放出 体偏心率的变化形式，并把放矿研究从平面问题推向空间问题，提出散体三维运 动方程，并以该方程为数学模型，提出了散体运动过程的数值模拟方法。 1 2 1 2 随机介质放矿理论对散体运动的描述 散体运动的随机介质理论最早由波兰j e r z y l i t w i n i s z y n 教授于1 9 5 6 年提出， 他应用概率论方法给出了散体运动的微分方程【列；1 9 6 2 年我国东北大学王泳嘉教 授给出了放矿平面问题的理论方程【4 】，1 9 7 2 年前苏联b b 库里柯夫又将平面问题 扩展为空间问题。随后东北大学任风玉教授将随机介质方法与散体流动的实际物 理过程相结合，于1 9 9 4 年发表了随机介质放矿理论及其应用一书，对各种边 界条件的散体运动过程建立了系统的理论方程【9 1 ，迄今为止，这些方程与国内外 研究者的数据符合最好。随机介质理论能够解释大量的放矿现象，由于计算机模 拟放顶煤研究的深入，该理论愈来愈受到人们的注视。随机介质理论在解释放矿 现象与实际生产问题方面，己远远超出椭球体理论。 1 2 1 j 顶煤冒落规律的描述 现有研究一般认为：虽然顶煤在矿压等作用下形成大小不一，松散，无规则 的碎块碎块由下到上，块度逐渐变大。每一个松散煤块靠自重流入放煤口的冒落 过程是随机的，不连续的，但是从整体上看，大量的煤块体的流动有着明显的连 续流动性，其运动形式具有松散介质特征，具有一定的宏观规律【1 1 ( 1 1 】【”】f 1 4 1 ”1 。放 出的顶煤在采场内所占的原始空间为旋转椭球体，放煤时椭球体内任意平面的各 点的下降速度不同，靠中心的煤岩下降速度快，远离中心的地方下降速度慢，最 后形成一个放煤漏斗。 不同硬度的顶煤可形成不同的冒放特征。文献【7 】1 1 0 】1 1 2 】认为：当顶煤为硬煤层 时，垮落角较小，如图1 a 所示。从总体上看，顶煤冒落呈现块体铰接，形成桥 拱式结构，放出体为抛物形全拱。对煤体强度很低的软煤层，在一般的埋深条件 下支承压力就能使其破坏，随支架前移而及时垮落。从总体上看顶煤呈散体冒落， 形成柱状结构，垮落角约9 0 0 ，放出体为椭球体，如图1 b 所示。当煤层强度中等， 中硬煤层呈半块半散体冒落，根据支架顶梁尾部附近顶煤是否形成松动死区，可 安徽理工大学硕士论文 形成两种不同的冒落结构，如果支架顶梁尾部附近顶煤破碎充分，则可形成柱状 冒落结构，如图1 b 所示；如果支架顶粱附近的顶煤破碎不充分，则形成如图1 c 所示的松动死区a ，打开放煤口后，下部项煤以垮落角边为前缘呈拱形放出；升 降支架，上部顶煤进一步松动，在压力作用下沿4 5 0 + 妒2 ( 妒内摩擦角) 滑 移面放出，呈半拱式冒落结构，放出体似椭柱状。 图1 放顶煤工作面顶煤冒落形态【1 0 l f i 9 1t h ee m i t t i n ga n df a l l i n gt o p c o a ls t a t e so nt h ew o f k i n gf a c ef o rl o p a l c a v i n g 文献【s 【5 ) 认为，顶煤的冒落形态应分为倒台阶、柱状和均匀散体三种基本形 式，当顶煤强度较大时，项煤冒落形态为倒台阶状，垮落角较小。当顶煤强度中 硬时，顶煤的冒落形态为柱状，冒落角大多在8 0 0 以上，若是滞后冒落，大部分 顶煤难以回收。当顶煤较软时，形成均匀散体冒落形态，垮落角大于9 0 0 。 可见对顶煤的冒落形态，在坚硬项煤的冒落形态上观点基本一致，对于中硬 和软煤层，目前还没有达成共识，需要进一步进行研究。 1 2 2 计算机仿真的研究 理论的发展来源于研究方法的进步，研究方法的迸步也有待于理论的指导。 放顶煤理论正是在理论和方法的进步中发展的。最古老的放顶煤方法为现场观察 和实验法。由现场实验进入实验室实验是研究方法的一大进步。现在实验室实验 仍是种重要的研究方法，依然发挥着巨大的作用。实验法虽然研究阀题直接和 方便，但它仍未摆脱费时，费力等一些缺点。自计算机进入科研领域以来，利用 计算机对放矿过程进行模拟具有快速，方便和准确等优点，能给出令人满意的效 果，从而成为深受欢迎的研究方法。 目前有各种不同的模拟方法主要有： 4 1 绪论 1 2 2 1 计算机数值模拟 颗粒点移动方程提供了数值计算模型，用计算机模拟放顶煤过程可以展现顶 煤的移动规律及放出情况，还可以绘出各种量的计算，最后达到预测顶煤的损失 和含矸率减少的目的。数值模拟方法基本上解决了两方面问题。一、解决了放顶 煤中的顶煤移动规律问题( 其中包括：1 放出体；2 顶煤残留体；3 顶煤接触面移动变 化过程1 。二、解决了顶煤的损失和含矸率的减少的预测问题，并可据此结合具体 条件优化采矿方案、结构参数和控制放矿等。可以说，数值模拟具备了模型实验 的功能，同时又有模型实验法无法比拟的优点。 1 2 2 2 随机模拟 随机模拟是加拿大d j o l l e y 于1 9 6 8 年提出的【3 】 他将崩落的矿岩理想地划分 成许多规则排列的小方块，方块一块一块地从漏孔放出，每放出一块就产生一个 空位，此空位由上一层九个方块中的一个来填补，由哪一块填补按蒙特卡罗法决 定，由此不断地向上传递空位，下面经漏孔不断地一块一块地放出，达到规定的 贫化为止。国内于1 9 7 8 年开始此项研究。北京钢铁学院、昆明工学院及东北工学 院的研究工作做的比较广泛和深入，分别对各种条件下的放矿问题进行了模拟， 取得了较好的效果。该法的九个方块中，由哪一块下降是随机的。在后一方块移 动之前，前一方块全部移动完毕，而后一方块内的所有岩块同时移入空位。对某 一特定的空位而言，不同次的试验完全可能由上一层不同的方块所填补，但在采 场模型中，每个漏孔都要放出大量矿岩，将产生大量的随机过程，最终的统计平 均值是平稳的。 在九块模型的基础上，有人做了六块模型、七块模型、六角式模型以及一次 下落四个方块的模拟工作，也得到了良好的结果u 1 。随机模拟的优点是不受放矿 边界条件的限制，在各种边界条件下都能求出放出体和矿石残留体的形状以及矿 岩接触面的移动情况，并可求出放出量、回收率、含矸率以及损失率等数值。借 助这些结果便可优化采矿方案及工艺参数、改善放矿管理等。随机模拟由于模型 本身的特点，其模拟的相似程度一般较低，对于不同矿体赋存条件的边界处理尚 没有得到完全解决，概率赋值问题还有待于进一步研究。 1 2 2 3 离散元法 离散单元法最早是由c l l i l d a l lp a 于1 9 7 1 年提出的一种不连续数值计算方法。 安徽理工大学硕士论文 该法适用于研究节理系统或离散颗粒组合体在准静态或动态条件下的变形过程a 1 9 7 8 年，c u n d a up a 和s t r a c k0 d l 丌发出了二维圆形快体的b a l l 程序，用于研 究颗粒介质的力学行为。1 9 8 3 年k m o sj v 开发了离散单元法与边界元法耦合的 半平面程序，并用于计算节理和断裂介质的应力分布问题。1 9 8 5 年，c u n d a lp a 与i t a s c a 咨询集团公司合作完成了二维u d e c ( u n i v e r s a ld i s t i n c t e l e m e n tc o d e l 程序的开发。然而，三维离散单元法的发展则较迟缓，其主要 原因是数据结构复杂，要求计算机容量大，且计算时间过长。三维离散单元程序 已由c u n d a l lp a 和i t a s c a 集团于1 9 8 6 年开发出来，且进行了一些工程应用的 尝试。但总体上说，任处于发展阶段。 1 3 存在问题 放顶煤开采在我国十几年的实践，取得了很大成绩。目前，它己成为我国煤 炭系统实现高产高效和进行采煤方法升级改造的主要途径。然而针对影响因素 多、物理过程复杂的顶煤跨落和放出问题，对于破碎状态介质特性的描述不仅是 开采课题的难点，同时在实际生产中，许多重要参数和工艺形式的选取基本上仍 然要靠经验来确定。 ( 1 ) 放顶煤的顶煤冒放规律的研究现在基本上是靠实验研究和已往经验来确定放 煤步距、放煤工序等，正因为此浪费了大量的人力、财力、时间等。而且有时还 难以达到更好的效果，进而对于确定最合理的放煤步距、放煤间距等工艺的取值 范围还存在问题。 ( 2 ) 在相同的生产条件下，放煤步距，放煤间距、放煤顺序等工艺参数的不同， 资源的回收率不同。目前各工艺参数对采出率的综合影响研究还不充分，最合理 的放煤步距，放煤间距等工艺参数的取值范围还有待解决。 ( 3 ) 近年来，三维可视化的研究已形成一定的规模，国内外也将相应的三维可视化 软件推向市场，但是在煤矿领域还没有得到充分发展，特别是在放顶煤领域。本文 以v c + + 和o p e n g l 为主要开发工具，实现对工作面放顶煤过程三维动态模拟，以图 形的方式显示出放项煤的全过程。 1 4 课题的主要内容 本论文的主要内容，是在总结以往对散体运动过程仿真研究成果的基础上， 迸一步研究放顶煤模拟方法及其软件开发，利用基于o p e n g l 的计算机仿真和动 画技术，在v i s u a lc + + 6 o 程序开发环境下，模拟顶煤冒落规律的三维可视化仿真， 1 绪论 达到方便、直观的确定最合理的放煤步距、放煤间距、放煤顺序等放煤参数的效 果。该课题主要研究以下内容。 1 、现场研究放煤工艺参数对放出率与含矸率的影响。 2 、利用顶煤冒落规律的模型建立三维可视化仿真模型。 3 、顶煤冒落规律的三维可视化仿真的模拟。 4 、三维可视化实时仿真的实现。 5 、利用放顶煤仿真程序对采场结构参数进行了分析计算，详细研究了放煤参数与 顶煤损失率的关系，据此确定了合理的放煤步距、放煤间距、放煤顺序等放煤工 艺，提高了采出率、降低了含矸率。 安徽理t 大学硕士论文 2 放煤工艺参数的研究 合理的放煤工艺参数是提高煤炭回收率，降低含矸率的重要因素之一。有关 资料表明f ，工作面丢煤损失占采区煤损盼1 6 4 ，其中放煤工艺引起的落煤损失 就占采区煤损的1 1 ，是工作面丢煤损失中比重最高的。如何选择合理的放煤参 数，减少放煤工艺引起的煤损，是本章所要讨论的主要问题。 2 1 生产技术条件 某煤矿煤厚4 2 5 9 米，平均5 1 米，煤层硬度普氏系数f 值平均小于1 0 ： 走向长2 1 5 2 3 5 米，平均2 2 5 米；倾斜长2 5 3 0 米，平均2 7 米；面积6 0 7 5 米； 煤层倾角3 0 0 4 7 0 ，平均为3 3 0 ，煤层结构简单，可采指数为1 ，变异指数为1 ， 煤层贮存稳定。老顶为砂岩灰白色中厚层状，有时含有菱铁夹层，厚度为1 0 o 1 5 o 米，普氏系数f 为9 0 1 1 o 。直接顶为深灰色，块状砂质泥岩，厚度为2 0 5 o 米，普氏系数为5 0 6 0 。该面选用俯伪斜走向长壁悬移支架放顶煤采煤法进 行回采。底层采高为1 8 米，放顶煤厚度为3 3 米，采放比为1 ：1 8 ，采煤循环进 度为o 8 米，采用单轮顺序放顶煤，间距1 2 米，顶煤垮落角平均为9 0 0 。工作面 的主要计划技术经济指标见表1 。 表1 工作面的主要计划技术经济指标表 t 1 l ek e yp l a n n e dt e c h n 0 1 0 9 i c a la n de c o n o m i c a li n d e x e sa b o u tt h ew o f k i l l gf a c e 编号项目单位指标 1 工作面长度 m2 7 2 采煤高度m 1 8 3 放煤高度m 3 3 4 循环进度mo 8 5 月循环数个 6 0 6日产量t d2 6 4 7月产量t m7 9 2 0 8 回采工效 “工2 5 9 工作面采出率9 0 2 放煤工艺参数的研究 2 2 研究方法及试验结果 ( 1 ) 测定工作面实际煤厚 测定方法：沿工作面每隔一定距离分别向顶煤打钻，计算工作面平均煤厚， 测定结果如表2 所示。 表2 工作面煤层实测厚度 t 1 l es u r v e y e dd e p t ho ft h ec o a lo nt h ew o r k i n gf a c e 测点距机巷距离( m ) 51 41 92 4 采煤高度( m ) 1 9 51 91 9 41 9 顶煤打钻深度( m ) 4 6 44 34 2 4 1 顶煤钻孔与煤层夹角( 0 ) 6 29 07 06 4 测点煤厚( m ) 6 0 66 25 8 95 5 8 工作面平均煤厚( m ) 5 9 3 ( 2 ) 测定煤样与原煤指标 原煤指标包括原煤含矸率、水份、灰分。煤样指标包括煤样水分、灰分以及 矸石灰分。测定结果如表4 所示。 ( 3 ) 计算工作面实际采出率 根据原煤炭工业总公司颁布的综合机械化放项煤工作面回收率计算办法 ( 讨论稿) 的规定，工作面采出率的计算按以下三个步骤进行：a ，动用储量计算； b ，统计产量改正；c ，采出率计算。 a ：工作面动用储量计算 c f = 口。6 。，栉y ( 2 1 ) 式中： a 一工作面沿走向长度，米； b 工作面沿倾向长度，米； m 工作面平均煤层厚度，不含大于o 0 5 米夹石的厚度； y 一煤的容重，t m 3 ； 计算结果如表4 所示。 b ：工作面统计产量改正 根据工作面统计产量，再运用公式( 2 2 ) 进行矸石量、水份、灰分改正( 如表3 安徽理上大学硕士论文 所示1 。 q = q 砸一含矸率，号蛊糕小一案墨关筹器， c z z ， 式中：q 寸口除非工作面出煤后统计产量，吨。 表3 ：工作面动用储量计算 t h ea p p l i e ds t o r a g ec a l c u l a t i o no nt l 王ew o r k i n gf a o e 工作面沿走向 工作面沿 工作面实测煤的动用 工艺倾向实测 推进距离( m ) 加权煤厚容重储量 长度 形式机巷风巷平均 ( m )( m )( t m 3 )( t ) 一采一放 988 52 75 9 31 3 31 8 1 0 单轮顺序 一采一放 3332 75 9 3 1 3 36 3 8 8 单轮间隔 c ：工作面采出率与损失率计算 工作面采出率( ) = 罟1 0 0 计算结果见表4 。 工作面损失率( ) = 譬1 0 。 表4 工作面采出率计算 t h em t i oo fm i n i n ga 1 1 dy i e l d i n g0 nl h ew o r k i n gf a c e ( 2 3 ) ( 2 4 ) 动用统计原煤原煤原煤 煤样 煤样石灰矸石改正采出 工艺 储量 产量含矸 全水 灰分 水分 灰分分水灰后产 塞 ( t )( i ) 蛊 分 ( )( )( )( )改正 里 ( ) 形式 ( )( )系数 ( t ) 一采一放1 8 1 0 2 0 6 61 4 9 45 32 8 7 82 72 08 80 7 6 01 5 7 08 6 7 单轮顺序 一采一放6 3 8 86 9 9 1 0 3 25 42 4 7 22 7 2 08 80 8 1 15 6 78 8 8 单轮间隔 1 0 2 放煤工艺参数的研究 2 3 放煤工艺对产量、采出率及含矸率的影响 2 3 1 放煤步距的影响 沿着放顶煤工作面走向放出体由于受到项煤垮落面的影响，其形态发生变化， 如何在各种不同条件下合理选择影响放煤效果的最主要参数放煤步距。 放煤步距是影响工作面采出率与含矸率的重要因素【1 7 】【1 9 】【“l 】2 3 】。放煤时，既要 避免采空区后方的矸石先涌入放煤口，又要防止上部矸石先涌入放煤口。放煤步 距太大，顶板方向的矸石将先于采空区后方的煤到达放煤口，迫使放煤口关闭， 增大脊背煤损；放煤步距太小，采空区后方的矸石先于上部顶煤到达放煤口，使 部分上部顶煤被截断在采空区。 另外：不管在什么样的条件下，取多大的放煤步距，也不可能达到顶煤的1 0 0 放出，所以说在实际中丢煤是必然的，但是，只要放煤参数选择合理，就可以 达到最小的顶煤损失。对于一定的顶煤垮落角，其回收率与放煤步距为二次抛物 线图2 ，每一条曲线都可以求出一个极大值，即为最佳放煤步距k 对应的是最大 顶煤回收率。放煤步距l 大于或小于k 都会造成顶煤损失量增大，回收率降低。 例如当乜= 6 0 0 时，最佳放煤步距k = 1 5 2 m ，对应的最大顶煤回收率，7 m a x = 7 6 3 。 9 0 窘o o7 0 6 0 s 0 l ( 皿) 图2 纯煤回收率与放煤步距的关系【1 7 】 f i 9 2t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h 。p u r e c o a lr e c y c l i n gt a t e sa n dc o a l - c a v i n gp a c e d i s t a i l c e 下面具体讨论： 安徽理工人学硕士论文 当口t9 0 0 ，如图3 所示，煤岩分界线m n 与放出体相切于a 点，要求a ，b 两点同时在放出体周边上。 在x o y 坐标系中，放出体方程 y 2 2 ( 1 一2 ) ( 2 ax x 2 )( 2 5 ) 直线m n 方程 x ( l - h ) s i n 疗= 一t g ( 8 + 8 ) 【y + ( l 广b ) c o s 拶】 ( 2 6 ) 出( 2 6 ) 式得： y = ( l 广k ) s j l l 口t g ( a + 口) 一s t 改口+ 口) - ( l i j 0 ) c o s 口 代入( 2 5 ) 式，整理得： j ；j i 三j j 万i + ( t e ) k2 一【三湍兰辫 + ( 一。) 2 c o s 2 口一三兰。= j 筹+ 墨辨= 。喀a + d j留【a + d ) ( 2 7 ) 由于m n 与放出体相切，故( 2 7 ) 式有；o 整理，并求解得： p 气筹篆等“。 c z 删 一百石万面万i 矿+ l 。 “刊 式中： k 负号控制系数。 当培( 口+ 口) c o s 口一s i n 日苫o 时，k = 1 ； 当培( 口+ 口) c o s 厅一s i n 扫s o 时，k = 1 。 若at 9 0 0 ，由于a ，b 两点同时到达放煤口 且在x o y 坐标下坐标值为： f z = 五c o s 口+ ( c 增口一三o ) s i n p i y = 矗c o s 口+ ( c 增口一l o ) c o s 口 b 点满足方程( 2 5 ) 式， 将式( 2 9 ) 代入( 2 5 ) 式，得： a = 圭 概唧啦一小姗+ 芒薷警舞) 式中 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) h 、b 、口均为已知值，睁值要根据实验结果取值，故将( 2 1 0 ) 2 放煤工艺参数的研究 式代入( 2 8 ) 式中，即可求得放煤步距l 。 图3 口 9 0 0 合理的放煤步距 f j 9 3t h ec o a l - c a v i n gp a c e - d i s i a n c ew i m 口9 0 ” 2 3 2 影响放煤步距的因素分析 合理的放煤步距与放煤高度基本是直线关系【1 6 1 【2 9 1 【3 5 1 。如图4 ，顶煤越厚， 相应的放煤步距要求越大，否则，煤体后方矸石要先于上方的矸石到达放煤口， 造成顶部一些煤体不能及时放出而损失。在a 7 5 0 范围，放煤步距随顶煤高度的 变化率值变小，其原因是由于顶煤垮落面的存在致使放出体是一个小半椭球体， 大部分顶煤是沿着顶煤垮落面移向放煤口的。同时随着顶煤高度增大，放出体偏 心率在增大，这时后方的矸石比较难于上方的矸石先到达放煤口，所以说放煤步 距也就增长的缓慢。放煤口到顶煤垮落面的距离f 。对放煤步距影响也比较大，如 果，。值较大，而采用较小的放煤步距，如图5 a 所示，那么后方的矸石f 点肯定 先于上方矸石e 点到达放煤口，必然导致煤体a 不能全部及时放出而损失，所以 在，。值较大情况下，只有适当增大放煤步距l 才有可能使f 、e 两点的煤同时放 出( 图5 b ) 。 根据我国放煤工作面的实际情况，在确定放煤步距时，现场生产部门主要借 鉴如下经验公式 2 6 】f ”1 ： l = ( o 1 5 0 2 1 ) h 式中：l - 放煤步距，米； h 放煤口至煤层顶部的垂高，米。 安徽理r t 大学硕士论文 5 正 宴3 2 1 0 彬m ) 图4 放煤步距与顶煤厚度关系 f i 酣t h er e l a t o n sb e t w e e nt h ec o a l c a v i d gp a c e sa n dt h et o p - c o a ld 印t h s 口 6 图5 放煤口位置对放煤步距影响 f i 9 5t h es p e c 让i cp l a c i n gj o c a t i o n si i l n u e n c eu p o nt l l ep a c e d i s t a n c co fc o a l - c a v i “g 2 3 3 放煤间距的影响 类似于放煤步距，合理的放煤口间距应使上方矸石和侧部矸石同时到达放煤 口。如图6 所示，讨论下行放煤时的放煤口间距i ”】。 2 放煤工艺参数的研究 图6 合理的放煤口间距 f i 9 6t h er e a s o n a b l es p a c eo fc o a l c a v i n g 在x o y 坐标系下，放出体方程 y 2 ：( 1 2 1 ( h f x x 2 ) ( 2 1 1 ) 煤岩线m n 近似取直线，其方程为 x 一姆卢2 y 一( l d w 2 ) 妇芦+ 增芦2 ) = 0 ( 2 1 2 ) 式中： 、_ 放煤口宽度；厦最终放煤残留角。 由2 1 2 式得：y = x f 吕卢2 一犯d w 2 ) ( 留卢+ 增卢2 ) 姆卢2 将上式代入( 2 1 1 ) 式，整理并求解，得： 三。：! ! ! ! ! 二! ：塑：生! 堕+ w 2( 2 1 3 ) l j = 一十，二 1 j ， 。 2 ( ；g p + t g p 0 同理可得上行放煤时的放煤口间距 工。：坚! ! 坚二! ：塑：鱼堕+ w 2( 2 1 4 )l = 十w ，二l z 一1 斗， 。2 q g p + 咯p o 式中缈、岛、多：、卢、w 均为已知，故可利用( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 式求得 合理放煤口间距，应注意用此式求得的放煤口间距是针对次全量放煤方式的， 当采用两阶段依次放煤时，还应减少一半。 2 3 4 放煤方式的影响 2 3 4 1 放煤方式 放煤方式目前主要有三种：单轮顺序放煤，单轮间隔放煤，多轮顺序放煤。 单轮顺序放煤，从每一分段的端开始按放煤口的自然顺序依此放煤，放完 安徽理丁大学硕士论文 1 号支架的煤后f 见矸关门) ，顺序再放第二架，第三架，一次性将每个放煤 门的煤全部放完，如图7 a 所示。采用单轮顺序放煤时，由于第一次放煤漏斗与 第二次放煤椭球体相互影响，要么为提高顶煤回采率而使混矸严重，要么就是在 顶煤放完前关闭放煤口，使顶煤损失量增大。目前这种放煤工艺仍在厚度较小的 硬顶煤工作面使用，但在顶煤破碎及垮落较充分且厚度较大的放顶煤工作面使用 较少。 单轮间隔方式放煤时，按每隔一架的顺序进行放煤，一次放完，见矸石关门。 如先放1 ，3 ，5 ，滞后一段距离，再放2 ，4 ，6 ，如图7 b 所示。这一放煤工 艺的优点是放出的顶煤含矸量较少，顶煤损失量也不大，易于操作。顶煤垮落性 较好、直接顶能及时垮落的放顶煤工作面，均宜采用这种放煤工艺。 a 一单轮顺序放煤 b 单轮间隔放煤 圈7 放煤方式田】 f i 9 7 t h em e t h o do fc o a i c a v i n g 多轮顺序方式放煤时，每架放煤口每次放出部分煤量，顶部煤岩分界面均匀 下降，依次放完第一轮，再放第二轮，。 2 3 4 2 测定不同放煤方式的影响 由于现有放煤椭球体理论还不能很好地解释放项煤开采过程中遇到的许多 实际问题，尤其是针对顶煤较薄煤层放顶煤开采，仍有待于进一步完善。由于试 验工作面较短，结合现场的实际情况，本研究通过现场试验一采一放单轮顺序放 煤、一采一放单轮间隔放煤两种放煤工艺，测定两种不同工艺形式循环内采出率、 原煤含矸率、工作面每推进一米煤炭产量。 1 6 2 放煤工艺参数的研究 表5 各方式放煤效果对照 t h ee 雎c tc o n t r a s t so fd i f f e r e n tm 卸e r so fc o a l c a v i n g 采出原煤含工作面每推进矸石水、灰改 工人操作 放煤方式 蛊 矸率一米原煤统计正后每米产量熟练程度 产量 ( )( )( 吨)( 吨) 一采一放 8 6 71 4 9 42 4 3 1 8 4 7好 单轮顺序 一采一放8 8 81 0 - 3 22 3 31 8 2 3 好 单轮间隔 2 3 4 3 确定合理放煤方式 如何提高采出率、降低含矸率实现高产高效是放顶煤开采成败的关键。一般 认为，单轮放煤方式简便易行，工人操作熟练，但由于上一个放煤口上方即为放 完煤的矸石漏斗，本架放煤时上一架的矸石极易混入，造成混矸。多轮放煤方式 避免了矸石漏斗一次下降过多，但增加了对顶煤的扰动次数，而且需要多次重复， 总的放煤速度慢，同时要求工人在没有有效监测手段的情况下，每次放出等量的 煤在技术上也难以达到。间隔放煤形式虽较顺序放煤方式复杂，但其放煤方式也 较易掌握，可多口放煤，提高放煤速度，而且有利于减小脊背煤损失和对煤岩混 合层的扰动。 因此，试验结果及分析表明，根据工作面顶煤较薄的实际情况，多轮放煤方 式不仅技术上较难控制，而且在提高产量、采出率和降低含矸率上难以体现其优 越性，因此多轮放煤方式是不适合的。由表4 和表5 可以看出，单轮间隔放煤方 式较单轮顺序放煤方式有利于提高煤炭资源采出率、降低原煤含矸率。一采一放 单轮间隔较一采一放单轮顺序提高采出率2 1 ，降低含矸率4 6 2 。另外从每米 矸石、水、灰改正后原煤产量看单轮间隔放煤方式，较单轮顺序放煤方式更有利 于提高煤炭产量。所以本试验认为单轮间隔放煤方式较单轮顺序放煤方式更为合 理。关于放煤步距的确定，结合采出率与含矸率考虑，试验结果表明一采一放是 合理的。 安徽理t 大学硕士论文 2 4 本章小结 如何选择合理的放煤参数，减少放煤工艺引起的煤损，是本章研究的主要内 容。 f 1 ) 放煤步距是影响工作面采出率与含矸率的重要因素。放煤时，既要避免 采空区后方的矸石先涌入放煤口，又要防止上部矸石先涌入放煤口。 f 2 ) 同时放煤间距也是影响采出率的重要因素。合理的放煤口间距应使上方 矸石和侧部矸石同时到达放煤口。 ( 3 1 不同放煤方式的影响，关于放煤步距的确定，结合采出率与含矸率考虑， 试验结果表明一采一放是合理的。 3 放顶煤顶煤移动规律的仿真分析 3 放顶煤顶煤移动规律的仿真分析 3 1 概述 顶煤的放出规律的研究对确定合理的放煤步距、放煤间距，提高工作面的放 出率有重要的意义。如果采用现场观测和相似材料模拟来进行研究，需要大量人 力、物力的投入。用计算机模拟方法进行此项研究只需要做一定量的现场观测， 不仅简便而且可以减少人力、物力的投入。而且可以直观地展示模拟成果。通过 计算机屏幕可以直观地展现工作面工艺参数和放顶煤工序，对顶煤放出效果的影 响。进而可以优化工艺参数与放煤工序；还可展现煤、矸移动的全过程，用于分析 顶煤损失和矸石混入的机理，以及指导采煤方案设计等。 3 2 仿真准则 对放顶煤顶煤移动规律进行计算机仿真的主要目的，在于研究散体颗粒的宏 观位置变化，即颗粒移动与放出量在统计意义上的对应关系。因此用放出体形态 及放出量随放出高度的变化关系两项指标来评价仿真效果是合理的。而这两项指 标完全由移动概率场确定。只有整个移动带内每一部位上仿真模块的移动状态与 实际散体的移动状态在统计意义上保持一致，才能保证仿真放出体形态及其大小 与实际一致。因此，应以移动概率场相似作为计算机仿真的准则。 3 ，3 放顶煤仿真的数学模型 根据放矿理论，当顶煤放出时，只有放煤口上方一定范围内的顶煤发生移动， 而且同一层面上颗粒的移动速度不同，靠放煤口轴线附近的颗粒移动速度快，离 轴线越远移动速度越慢，因此原来位于同一层面上的颗粒，在下移过程中由于下 降速度不等而形成漏斗状凹坑，即放出漏斗，如图8 所示。放出漏斗形状随形成它 的层面高度而变化，当层面高度小于放出体高度时，漏斗最低点颗粒已被放出， 称之为破裂漏斗；当层面高度等于放出体高度时，漏斗最低点颗粒刚好到达放出 口，称为降落漏斗；当层面高度大于放出体高度时，放出漏斗处于整体移动过程 中，称之为移动漏斗。 放出漏斗的数学表达式为【1 l 】【1 3 】：z 2 + y2 = 眈2 l n 式中： 0 + 1 ) q ( 3 1 ) 安徽理工大学硕士论文 q 放出煤量； n ，6 散体流动参数： 层面上任一点( x 。，y o ，z 。) 的移动迹线为：! 喜= 字，经微分 运算可得颗粒的下