綜放工作面合理支護(hù)強度的數(shù)值模擬分析

趙光緒，藺增元

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

綜放支架支護(hù)強度的確定，一直是綜放開采理論研究的重要課題，同時也是工作面綜放支架選型中需要考慮的首要問題[1-3]。自1982年國內(nèi)首次引進(jìn)綜放開采技術(shù)開始，綜放面支架合理支護(hù)強度的研究從最初的巖重法[4]到目前基于大量綜放工作面礦壓實測提出的統(tǒng)計類比法[5]，研究頂煤體受力確定支架載荷的理論計算方法[6]，正一步步探索和完善?，F(xiàn)在隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，基于計算機(jī)仿真技術(shù)的數(shù)值模擬法在礦山開采問題解決中的應(yīng)用越來越廣泛。為解決唐莊煤礦工作阻力超限和支架嚴(yán)重?fù)p壞的問題，本文通過數(shù)值模擬(FLAC3D)方法對綜放工作面支架合理支護(hù)強度進(jìn)行研究。

1 FLAC3D數(shù)值模擬的思路

大量理論和實踐表明[7-9]，頂板下沉量是反映頂板穩(wěn)定性的一個重要標(biāo)志，支架支護(hù)強度與頂板下沉量之間的關(guān)系在很大程度上反映了“支架-圍巖”的相互作用關(guān)系。根據(jù)現(xiàn)場觀測和實驗室的分析，支架工作阻力P和頂板下沉量ΔL是一近似的雙曲線，稱為“P-ΔL”曲線。當(dāng)支架支護(hù)強度較小時，頂板(煤)下沉量會隨著支架支護(hù)強度的增大而急劇減小，當(dāng)支架支護(hù)強度達(dá)到一定的范圍后，再繼續(xù)增大支架支護(hù)強度，對限制頂板(煤)下沉量的作用明顯減弱，即在支護(hù)強度和頂板下沉量關(guān)系曲線中存在著一個拐點，此拐點就是支架合理的支護(hù)強度[10]。

一般情況下，工作面中部頂板下沉量要大于兩端，為加快計算速度，本次模擬僅對工作面中部控頂區(qū)進(jìn)行監(jiān)測。采用控頂區(qū)下沉法[11]來確定合理的支護(hù)強度。理想結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1 控頂區(qū)下沉法模型

模擬開挖時，分別對工作面控頂區(qū)頂煤施加不同支護(hù)強度，監(jiān)測頂煤的位移情況。然后分析頂煤下沉量與支架支護(hù)強度之間的關(guān)系曲線，得出關(guān)系曲線中存在的拐點，即為支架合理的支護(hù)強度。

2 模型建立與測點設(shè)置

2.1 數(shù)值模型的建立

模型沿X、Y軸方向各取100m，Z軸方向為80m，共劃分56250個單元、60996個節(jié)點?？紤]邊界效應(yīng)的影響，沿YZ平面看，模型上下面各距模型中部(即工作面中部)取50m左右的邊界，上邊界施加埋深300m的上覆巖層載荷，重力加速度取9.8m/s2。模型采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則、大變形模式、聯(lián)合阻尼。初始模型如圖2所示。

2.2 監(jiān)測點的設(shè)置

考慮運算效率，本次模擬僅模擬了工作面推進(jìn)50m時頂煤的位移情況?？紤]存在邊界效應(yīng)，本次模擬中僅對工作面中部頂板進(jìn)行了監(jiān)測。模擬的支護(hù)強度范圍取0～1.6MPa，從0開始每隔0.2MPa做一次模擬。根據(jù)工作面支架情況控頂距取5m，因此在工作面中部距離煤壁1～5m處的頂煤取分別距工作面煤壁1m、2m、3m、4m、5m的A、B、C、D、E五點作為監(jiān)測點，為了避免連續(xù)介質(zhì)方法造成的邊界效應(yīng)影響，刪除掉采空區(qū)后方已破壞的煤巖體區(qū)域。

圖2 初始模型

3 模擬計算結(jié)果及分析

模型中五個監(jiān)測點在不同支護(hù)強度下的位移情況的具體監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到了工作面頂煤下沉量支架支護(hù)強度與之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。不同支護(hù)強度下控頂區(qū)頂煤下沉量隨控頂區(qū)位置變化曲線如圖4所示。

由圖3可知，每條曲線都呈近似的雙曲線形狀，與多年的現(xiàn)場實測曲線相吻合。結(jié)合表2可知，工作面推進(jìn)到50m時，在無支護(hù)條件下，距煤壁5m處的頂煤下沉量達(dá)57cm，距煤壁1m處也有29cm。隨支護(hù)強度的增大，頂板下沉量減小，但當(dāng)支護(hù)強度到0.6MPa時，頂煤下沉量減小幅度緩和。當(dāng)支護(hù)強度為0.8MPa時，控頂區(qū)頂煤下沉量基本穩(wěn)定。此后繼續(xù)增加支護(hù)強度對控頂區(qū)頂煤下沉量影響不大。總體來看，當(dāng)支架支護(hù)強度小于0.8MPa時，頂煤下沉量隨著支架支護(hù)強度的增大而顯著減??；而當(dāng)支護(hù)強度大于0.8MPa時，支架支護(hù)強度的增大對控制頂煤下沉作用甚微；因此，0.8MPa是支架支護(hù)強度對頂煤下沉量影響的拐點。

表1 不同支護(hù)強度下控頂區(qū)頂煤下沉量

圖3 支護(hù)強度與頂煤下沉量關(guān)系圖

圖4 頂煤下沉量隨控頂區(qū)位置變化曲線

由圖4可以看出，距煤壁不同位置的頂煤下沉趨勢基本一致，隨支護(hù)強度的增加而逐漸減小。在支護(hù)強度小于0.6MPa時，支護(hù)強度的增加對頂煤下沉量的控制作用明顯；而當(dāng)支架支護(hù)強度大于0.6MPa時，支護(hù)強度的增加對控制頂板下沉作用逐漸減弱；當(dāng)支護(hù)強度達(dá)到0.8MPa時，控頂區(qū)頂煤下沉量已被控制在一個很小的范圍內(nèi)。

沿煤層走向，過點(0，50，0)做剖面，得到工作面推進(jìn)50m時，不同支護(hù)強度下工作面周圍垂直方向的應(yīng)力云圖，見圖5。

通過對不同支護(hù)強度下工作面周圍垂直應(yīng)力云圖分析：隨著支架支護(hù)強度的增大，工作面超前支承應(yīng)力峰值逐漸減小并趨于穩(wěn)定，當(dāng)支護(hù)強度達(dá)到0.8MPa時，工作面超前支承應(yīng)力峰值區(qū)域小且基本趨于穩(wěn)定，增大支護(hù)強度對峰值區(qū)的影響不大。

綜上分析，可確定0.8MPa為支架合理的靜態(tài)支護(hù)強度。由于動壓的影響，支架實際支護(hù)強度需考慮動載系數(shù)K。通過礦壓分析，該工作面的動載系數(shù)K為1.13，由此得出該礦綜放工作面支架合理支護(hù)強度為0.91MPa。

工作面額定工作阻力取決于工作面的支護(hù)強度確定和支護(hù)頂板的控頂面積。支架支護(hù)強度已經(jīng)確定，支架控頂面積主要與工作面“三機(jī)”配套設(shè)備的斷面縱向尺寸有關(guān)；綜合考慮支架與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的配套，確定該礦綜放工作面支架更換為ZF7200/18/33型液壓支架，技術(shù)參數(shù)見表2。

圖5 不同支護(hù)強度下工作面控頂區(qū)周圍應(yīng)力云圖

表2 ZF7200/18/33液壓支架技術(shù)特征表

名 稱單 位數(shù) 值初撐力kN6150工作阻力kN7200支架高度mm1800～3300支架寬度mm1420～1590支護(hù)強度MPa0.91～0.93中心距mm1500泵站壓力MPa31.5最大控頂距mm5380最小控頂距mm4580

4 現(xiàn)場實測

經(jīng)更換支架后，在3405工作面布置了7個測站，測站位置分別為工作面5#、23#、41#、59#、77#、95#和111#液壓支架處，在歷時兩個月的觀測期間工作面共推進(jìn)279.5m，未再出現(xiàn)工作阻力超限和支架嚴(yán)重?fù)p壞的現(xiàn)象，工作面平均支架工作阻力隨工作面推進(jìn)變化情況見圖6。通過對工作面實測的支架的工作阻力分析后，得出的液壓支架工作阻力分布情況，見表3。

圖6 工作面支架平均工作阻力隨工作面推進(jìn)變化曲線

由圖6可知，觀測期間，支架的平均工作阻力穩(wěn)定在23M～34MPa之間，占額定工作阻力(36.7 MPa)的65%～90%。由表3可知，工作面總體支架工作阻力分布頻率以區(qū)間24M～30MPa所占比率(39.27%)最大，總體支架工作阻力大于額定工作阻力80%的比例為36.56%。從整體上看，支架工作阻力得到較大程度發(fā)揮，適應(yīng)該煤層綜放工作面的頂板活動規(guī)律。經(jīng)過2個月的生產(chǎn)實踐，工作面各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，表明該數(shù)值模擬確定支護(hù)強度的方法是合理可行的。

表3 支架工作阻力分布情況

5 結(jié)輪

1)通過數(shù)值模擬得到工作面靜態(tài)合理支護(hù)強度為0.8MPa，考慮動載系數(shù)，得出該礦綜放工作面支架合理支護(hù)強度為0.91MPa。

2)經(jīng)過2個月的生產(chǎn)實踐，根據(jù)數(shù)值模擬改換支架后異常礦壓問題得到解決，工作面各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，表明該數(shù)值模擬確定支護(hù)強度的方法是合理可行的。

3)數(shù)值模擬確定綜放工作面支架工作阻力的方法具有可操作性，可根據(jù)礦井具體條件設(shè)置不同的力學(xué)參數(shù)，結(jié)合生產(chǎn)實際進(jìn)行模擬分析，對于要求支架可靠性高的礦井，適用此方法。

[1] 趙明．麻家梁煤礦放頂煤工作面液壓支架選型[J]．煤礦開采，2011，16(4)：74-75．

[2] 張立榮．某煤礦中厚煤層液壓支架設(shè)計選型[J]．煤礦機(jī)械，2012，33(5)：19-21．

[3] 李宏．大傾角 “三軟”煤層綜放工作面支架選型[J]．煤礦開采，2011，16(6)：74-76．

[4] 錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．

[5] 范韶剛，閆少宏，毛德兵．確定綜放支架工作阻力的統(tǒng)計類比法[J]礦山壓力與頂板管理，2000(4)：24-26．

[6] 靳鐘銘，張惠軒，宋選民，等．綜放采場頂煤變形運動規(guī)律研究[J]．礦山壓力與頂板管理，1992(1)：26-31．

[7] 盧小雨， 華心祝，趙明強．沿空留巷頂板下沉量計算及分析[J]．采礦與安全工程學(xué)報，2011，28(1)：24-28．

[8] 方新秋，錢鳴高，曹勝根，等．綜放開采不同頂煤端面頂板穩(wěn)定性及其控制[J]．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，31(1)：69-73．

[9] 李啟月，許杰，王衛(wèi)華，等．基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)多尺度分析的頂板下沉量預(yù)測[J]． 巖土力學(xué)，2013，34(2)：433-438．

[10] 毛德兵．綜放支架支護(hù)強度與煤層采出厚度關(guān)系的研究[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(1)：45-48．

[11] 李春睿．確定支架合理支護(hù)強度的數(shù)值模擬方法[J]．中國煤炭，2011，37(5)：79-82．