20102綜采工作面液壓支架合理支護(hù)強(qiáng)度模擬研究

何 磊 劉夫軍

（榆林市榆神煤炭榆樹灣煤礦有限公司，陜西 榆林 719000）

工作面上方覆巖的移動(dòng)特征和工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，是確定支架合理支護(hù)強(qiáng)度的前提。本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，以榆樹灣煤礦20102工作面為研究對(duì)象，采用UDEC離散元分析方法，分析了不同支護(hù)強(qiáng)度條件下工作面上方覆巖移動(dòng)規(guī)律，通過擬合分析工作面頂板最大沉降量隨支架支護(hù)強(qiáng)度的變化關(guān)系，進(jìn)而確定出液壓支架支護(hù)強(qiáng)度的最優(yōu)取值范圍。

1 概況

榆樹灣煤礦20102綜采工作面平均埋深230m，平均煤厚11.6m，工作面長(zhǎng)度250m。工作面煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，平均厚度2.2m，節(jié)理裂隙發(fā)育；基本頂為粉砂巖和中砂巖，平均厚度56m。

2 數(shù)值模擬方案

UDEC(Universal Distinct Element Code)作為一款計(jì)算分析程序，以離散單元法為理論，該方法對(duì)于模擬非線性力學(xué)行為的非連續(xù)材料在靜載或動(dòng)載作用下的響應(yīng)過程非常適用，在巖土工程中得到廣泛應(yīng)用。

2.1 模型的建立

模型取煤層和頂?shù)装骞?7層，以便于提高運(yùn)算速度和保證計(jì)算精度，從而清晰地分析覆巖移動(dòng)破壞規(guī)律以及煤層和頂?shù)装鍛?yīng)力分布狀態(tài)。經(jīng)過分析判斷本煤系地層中含有兩層關(guān)鍵層，建立如圖1所示的模型。模型取走向×高度=500m×120.6m，煤層平均埋深取266.6m，考慮到開采邊界的影響，煤層兩側(cè)各設(shè)100m的邊界保護(hù)煤柱。模型共劃分7871個(gè)塊體、35874個(gè)單元和44648個(gè)結(jié)點(diǎn)。

模型左右邊界施加法向約束，底部邊界施加固定約束條件，將基巖以上表土地層換算成等效荷載，均勻施加在模型上表面。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，模型中各含煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)和各地層的節(jié)理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 離散元計(jì)算模型

表1 模型中含煤巖層物理力學(xué)參數(shù)和節(jié)理力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬方案

本文重點(diǎn)探討淺埋特厚煤層工作面液壓支架不同支護(hù)強(qiáng)度條件下工作面覆巖移動(dòng)特征，分析工作面覆巖沉降與液壓支架支護(hù)強(qiáng)度之間的關(guān)系，進(jìn)而確定合理的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度，具體方案如下：

（1）利用UDEC的初應(yīng)力計(jì)算功能，產(chǎn)生重力場(chǎng)，模擬未開挖前的巖層原始狀態(tài)；

（2）一次性開挖至模型中心位置，并在工作面范圍內(nèi)設(shè)置液壓支架支護(hù)模擬單元，分別模擬分析液壓支架支護(hù)強(qiáng)度為0.2MPa、0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa工況下工作面上覆巖層的運(yùn)移情況。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同支護(hù)強(qiáng)度下覆巖移動(dòng)特征

結(jié)合20102綜放面地質(zhì)條件建立支架與圍巖相互作用的數(shù)值模型，分別研究不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板下沉量的變化情況，如圖2所示。

由圖2分析可知，隨著支護(hù)強(qiáng)度不斷增大，工作面頂板的下沉量得到了有效控制。液壓支護(hù)強(qiáng)度為0.2MPa時(shí)，工作面頂板最大沉降量約2300mm，工作面斷面收縮變形量大，無法滿足生產(chǎn)需求；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0.4MPa時(shí)，工作面頂板最大沉降量約1400mm，工作面頂板沉降變形得到很大程度控制，斷面面積基本能滿足生產(chǎn)需求；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0.8MPa，沉降量控制在600mm，工作面上方頂板得到了較好控制，工作面直接頂被液壓支架切斷，將會(huì)降低工作面支架壓力，有利于控頂，斷面面積能夠滿足正常生產(chǎn)需求；當(dāng)工作面支架支護(hù)強(qiáng)度大于0.8MPa時(shí)，尤其是支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.2MPa，頂板的下沉量降低為200mm以下，約為120mm；支架強(qiáng)度由1.2MPa增加至1.6MPa以上后工作面頂板下沉量的減小約為20mm，減幅約為16.7%。

圖2 不同支護(hù)強(qiáng)度條件下頂板下沉情況

3.2 支護(hù)強(qiáng)度與工作面頂板沉降量的關(guān)系

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可得到工作面頂板最大下沉量隨支護(hù)強(qiáng)度的變化關(guān)系，如圖3所示。分析可知，當(dāng)采高一定時(shí)，控頂范圍之內(nèi)頂板的最大下沉量與支架的支護(hù)強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系變化；當(dāng)支架支護(hù)強(qiáng)度從0.2MPa增加至1.2MPa時(shí)，控頂范圍之內(nèi)頂板的下沉量從2300mm減小到200mm，減少幅度為90%；當(dāng)支架的支護(hù)強(qiáng)度從1.2MPa增加至1.6MPa時(shí)，控頂范圍之內(nèi)頂板的最大下沉量從200mm減小到100mm，減少幅度相對(duì)很小。因此，支架支護(hù)強(qiáng)度對(duì)控頂范圍之內(nèi)頂板的下沉量具有明顯的控制作用，但有一定限度，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.2MPa之后，工作面頂板下沉量達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定。

圖3 不同支護(hù)強(qiáng)度條件下頂板下沉量

利用MATLAB進(jìn)行擬合得出支護(hù)強(qiáng)度p與工作面頂板下沉量w的關(guān)系曲線，如式1所示，其關(guān)系表達(dá)式為：

4 結(jié)論

以榆樹灣煤礦20102工作面為研究對(duì)象，采用UDEC離散元數(shù)值分析軟件研究了液壓支架不同支護(hù)強(qiáng)度條件下工作面頂板覆巖的運(yùn)移沉降情況，得出以下結(jié)論：

（1）該計(jì)算工況條件，液壓支架支護(hù)強(qiáng)度大于0.6MPa以上時(shí)，工作面范圍內(nèi)的斷面空間能夠滿足生產(chǎn)需求；

（2）工作面頂板最大沉降量與液壓支架支護(hù)強(qiáng)度之間呈指數(shù)變化關(guān)系，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度超過1.2MPa時(shí)，頂板最大沉降量變化幅度較小，約為16.7%?？紤]到生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益兩方面因素，建議工作面的頂板支護(hù)強(qiáng)度在0.8MPa～1.2MPa之間選取。