放頂煤工作面液壓支架的適應性

陳 剛， 單麒源

(黑龍江科技大學黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室，哈爾濱150022)

放頂煤工作面液壓支架的適應性

陳 剛， 單麒源

(黑龍江科技大學黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室，哈爾濱150022)

為解決開采深度對支架超負荷損壞的影響，針對營城煤礦3號深埋煤層放頂煤開采的特點，采用理論計算和數值模擬的方法，通過對液壓支架選型的分析論證，以及實測礦壓數據的分析，應用有限元分析方法，研究了不同開采深度條件下放頂煤工作面礦壓顯現(xiàn)特點。結果表明:開采深度增大、地壓線性增加、工作面埋深由200 m增加到1 000 m時，支承壓力區(qū)峰值應力增加了36%。該研究證明了所選液壓支架可以滿足深埋煤層頂板控制的適用要求。

深部煤層;放頂煤;支護強度;數值模擬

0 引言

放頂煤開采法始于20世紀40年代法國，由于其具有安全、高效、掘進率低、適應性強等優(yōu)點，已在厚煤層開采中得到廣泛應用［1－2］。但隨著礦井開釆深度的增加，地應力不斷增大，有些工作面出現(xiàn)支架超負荷損壞情況，給礦井生產帶來安全隱患［3］。國內外在深部放頂煤礦壓顯現(xiàn)方面作了大量研究工作，得到了開采深度與支承壓力作用范圍［4］、煤體極限平衡區(qū)大小之間的關系［5］，頂板硬度對下沉量的影響工作面支架載荷的影響［6－7］，這些研究取得了豐碩的成果。研究深部開采礦井綜放開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，掌握其變化特征，能為生產礦井綜放工作面支架選型和試用性評價提供指導。

吉林省宇光能源營城煤礦目前生產采區(qū)開采深度700～900 m，放頂煤開采時礦壓顯現(xiàn)會與淺部開采時有一定差別，為了確保工作面安全，運用理論計算、數值模擬與經驗類比等方法對液壓支架主要參數進行分析，通過實測礦壓數據繪制工作阻力曲線，分析支護的可靠性，能為深部放頂煤工作面支架選型提供理論參考。

1 7307綜放工作面支護強度的確定

7307回采工作面井下位于－600 m運輸大巷南側。工作面走向長度84～150 m，傾斜長度415～426 m，距地表距離744.29～815.29 m。煤層厚度6.1 m，直接頂為白色粉砂巖，厚度1.0～1.2 m，老頂為灰白色粗砂巖，厚度12～15 m。

依據采高倍數法、頂板結構分析估算法和實測統(tǒng)計法［8－10］分別求出支護強度q1、q2、q3。

依據采高倍數法時，

式中:K1——支架上方頂板巖層厚度，一般K1=6～8;

H——工作面機采高度，m，2.4 m;

γ——頂板容重，kN/m3，26.2 kN/m3。

將K1=7，H=2.4 m，和γ=26.2 kN/m3代入式(1)中得:

依據頂板結構分析估算法［11］時，

式中:q2——支架最小支護強度，MPa;

Kd——基本頂失穩(wěn)系數，一般取1.1～1.8;取Kd=1.2。

qd——直接頂的自重應力，MPa;

qc——頂煤自重應力，MPa;

γd——直接頂容重，t/m3，取γd=2.62 t/m3;

h——直接頂垮落充填高度，m;

γc——煤層的容重，t/m3，取γc=1.39 t/m3;

Mc——頂煤厚度，m，取Mc=3.7 m;

M——煤層厚度取，m，取M=6.1 m;

K2——采出率，取K2=0.85。

Kp——碎脹系數;取Kp=1.3。

將實測數據和估取值代入式(2)，可得:

依據實測統(tǒng)計法時，

式中:k——安全系數，支架阻力利用率按75%計算，則k=1.33。

由式(3)可得:

結合以上三種不同方法確定的支護強度，確定7307工作面在機采高度為2.4 m時支架的合理支護強度qmin=0.692 MPa，為了能夠更好的滿足營城煤礦7307工作面安全生產的要求，決定取n=1.15的安全系數，這樣確定的支架合理額定支護強度為

q=nqmin=1.15×0.692=0.796 MPa。

2 7307工作面支架的阻力觀測

7307綜放工作面支護采用ZF3600/16/25型支撐掩護式低位放頂煤支架支護，日推進度為1 m。為了分析支架的可靠性，分別在10、20、30、40、50、60、70、80、90、100號支架前支柱安裝了10塊離線支架壓力自動記錄儀，具體布置，如圖1所示。

圖1 測點布置Fig.1 Arrangement of measure points

觀測結果見圖2～4，由支架歷史數據曲線可以看出，工作面動載系數不大，工作面來壓并不是全線同時來壓，有分段性，來壓不明顯，3月3日至15日停產期間整個工作面維持在較高壓力狀態(tài)。

圖2 7307工作面支架初撐力曲線Fig.2 Initial support resistance curve of 7307 working face

圖3 7307工作面支架末阻力曲線Fig.3 Final support resistance curve of 7307 working face

圖4 7307工作面支架載荷頻率分布Fig.4 Diagram of frame pressure frequency distribution

通過圖2～4所示曲線及頻率圖可以看出，工作上部30號支架和下部70號、80號、90號支架工作阻力較高，其他支架阻力不大。

隨工作面的推進，每個循環(huán)內支架阻力的大小與注液量、頂板結構、頂煤破碎程度相關，而且在工作面不同部分支架工作阻力大小也有差異，由此反映工作面頂板的壓力大小、支架的適應性以及支護效能的發(fā)揮程度。工作面支架的初撐力、末阻力實測值如圖所示。由實測數據可知工作面平均初撐力17.8 MPa，占額定值的50.4%(額定值為35.3 MPa)。平均末阻力為20.1 MPa，占支架額定值56.9%。

綜合支架的頻率分布圖可見，分布在0～30 MPa區(qū)間的工作阻力約占73.7%，分布在30～35.3 MPa區(qū)間的工作阻力約占22.6%，大于35.3 MPa的工作阻力約占3.7%。從整體上看支架阻力可以滿足工作面頂板控制要求，但由于頂板結構及破斷影響，工作面支工作架阻力分布不均，其中壓力最大的70號支架分布在0～30 MPa區(qū)間的工作阻力約占58.4%，分布在30.0～35.3 MPa區(qū)間的工作阻力約占25.9%，大于35.3 MPa的工作阻力約占15.7%。

3 綜放面礦壓特征的數值計算

3.1 計算模型的建立

Flac是三維有限差分程序，能方便準確的模擬工程問題。為研究深井大采高綜放面圍巖應力分布及變形破壞特征，采用數值模擬軟件，結合營城礦工作面開采生產實踐，對不同開采深度綜放面圍巖應力場和位移場分布特征進行研究。綜放工作面數值計算分析模型總高度為50 m，模擬長度50 m。模型除了上部邊界屬于應力邊界條件，其它邊界都是位移邊界條件，邊界位移為0，模擬工作面埋深分別為200、300、400、500、600、700、800、900、1 000 m，煤層厚度6.1 m，采高2.4 m。工作面上覆巖層平均容重取26 kN/m，模型如圖5所示，具體參數見表1。

圖5 7307工作面有限元模型Fig.5 Finite element model of 7307 working face

表1 力學參數Table 1 Mechanical parameters

3.2 模擬結果分析

在工作面上部由支架頂梁尾端到煤壁前方模型邊緣均勻布置20個監(jiān)測點，監(jiān)測不同開采深度時這些測點所處位置的應力值。測點1－16在工作前方煤體內，17－20為支架頂梁上方。將不同采深時各點應力數值匯總得到圖6所示曲線。

圖6 埋深不同時工作面前方豎直應力分布曲線Fig.6 Vertical stress distribution cure in front of working face at different mining depths

工作面開采后支架及工作面前放煤體上應力分布如圖6所示。埋深不同時，沿工作面走向垂直應力分布有以下共性:在支架上方及靠近煤壁前方不遠處應力較為緩;遠離工作面煤體內應力升高明顯，各開深度條件下應力分布曲線相似，峰值隨開采深度增加而增大，支承壓力范圍也有所變化。由圖6中所示不同開采深度時豎直應力曲線可以看出，工作面埋深由200 m增加到1 000 m時，支承壓力區(qū)峰值應力增加了36%，由此可見開采深度增大，地壓線性增加，巖層破壞程度增加，運動更為劇烈。由于工作面處于應力降低區(qū)，所以面支架上方壓力隨工作面深度增加增幅不大。

4 結論

針對7307深部綜采放頂煤工作面開采的特點，對液壓支架選型與可靠性進行了分析，得到以下結論:

(1)結合7307深部綜采放頂煤工作面煤層與頂板條件采用采高倍數容重法、頂板結構分析估算法以及實測統(tǒng)計法確定該工作面的支護強度。

(2)根據實測液壓支架工作阻力和頻率分布直方圖，分析了該工作面的礦壓顯現(xiàn)特點，以及所選液壓支架的可靠性。

(3)通過有限元分析得到了放頂煤工作面壓力分布規(guī)律與開采深度之間的關系，明確了采深對超前支承應力分布特征的影響，為深部放頂煤工作面支架選型提供理論支持。

［1］ 楊榮明，吳士良.布爾臺煤礦大采高開采轉綜放開采實踐研究［J］.煤炭科學技術，2012(12):8－10.

［2］ 臧傳偉，夏俊峰，李華程，等.綜放工作面端頭頂板合理支護強度研究［J］.煤礦安全，2015(6):50－53.

［3］ 胡 沛.麻黃梁煤礦綜放面礦壓規(guī)律及支架工作阻力研究［D］.西安:西安科技大學，2013.

［4］ 王家臣，張錦旺.急傾斜厚煤層綜放開采頂煤采出率分布規(guī)律研究［J］.煤炭科學技術，2015(12):1－7.

［5］ 桑沖峰，袁成鍵.三軟大傾角煤層條件下兩柱掩護式放頂煤液壓支架設計研究［J］.煤炭技術，2014(10):218－220.

［6］ 王家臣，張錦旺.綜放開采頂煤放出規(guī)律的BBR研究［J］.煤炭學報，2015(3):487－493.

［7］ 鄭朋強.唐口煤礦千米深井綜放開采礦壓顯現(xiàn)與控制研究［D］.青島:山東科技大學，2011.

［8］ 王金華.特厚煤層大采高綜放開采關鍵技術［J］.煤炭學報，2013(12):2089－2098.

［9］ 王家臣，魏立科，張錦旺，等.綜放開采頂煤放出規(guī)律三維數值模擬［J］.煤炭學報，2013(11):1905－1911.

［10］ 張 敏.煤礦采煤工作面頂板事故防范研究［J］.山東工業(yè)技術，2017(11):161－162.

［11］ 鄭賀斌.綜放工作面上覆巖層運動規(guī)律及支架選型硏究［D］.太原:太原理工大學，2016.

(編校 李德根)

Adaptability analysis of hydraulic support for top coal caving face

Chen Gang，Shan Qiyuan
(Heilongjiang Ground Pressure＆Gas Control in Deep Mining Key Lab，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

This paper is intended to investigate the influence of mining depth on the support.The research depending on the characteristics of top coal caving in No.3 depth seam works towards using theoretical calculations and numerical simulation methods to study and analyze the rational hydraulic support; identifying the applicable requirements of roof control in depth seam by the analysis of data based on mineral pressure observation;and investigating the characteristics of underground pressure in caving face under different mining depth conditions using the method of finite element analysis，and studying the influence of mining depth on the working face of top coal caving.The simulation results show that an increase in mining depth is followed by an obvious increase in the bearing pressure.

deep coal seam;top coal caving;supporting strength;numerical simulation

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.013

TD355.4

2095－7262(2017)04－0388－04

:A

2017－05－10

黑龍江省自然科學基金青年科學基金項目(QC2014C057)

陳 剛(1979－)，男，黑龍江省大慶人，副教授，博士研究生，研究方向:礦山壓力控制及煤礦應急救援，E-mail:chengang0607@163.com。