基于UDEC的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度參數(shù)研究

韓文龍

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司安全監(jiān)管五人小組管理部，山西 大同 037003)

0 引言

在我國厚煤層和特厚煤層開采過程中，工作面支架立柱收縮、壓壞等事故時有發(fā)生[1]。針對我國煤礦生產(chǎn)實踐的需求，國內(nèi)許多學(xué)者針對淺埋特厚煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、液壓支架工作特性和液壓支架產(chǎn)生的事故特征及原因進(jìn)行了研究并取得了許多成果[2]，但對于特厚煤層工作面液壓支架的合理支護(hù)強(qiáng)度取值仍然缺乏有效的確定方法，特別是一次采全高的特厚煤層綜放工作面開采。而研究工作面上方覆巖的移動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。

因此，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，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，以此為安全采煤生產(chǎn)提供借鑒。

1 液壓支架合理支護(hù)模型研究

1.1 地質(zhì)概況

以同煤某礦綜放工作面為研究對象，該礦主采煤層為二水平的11#、12#、13#煤層，采用一次采全高低位放頂煤開采。其中，工作面埋深為310～380 m，為淺埋煤層，煤層厚度為5.5～9.5 m，平均厚度為7.3 m。頂板主要參數(shù)見表1。

表1 頂板主要參數(shù)

1.2 模型建立

UDEC(Universal Distinct Element Code)作為一款新發(fā)展起來的計算分析程序，以離散單元法為其基本理論，該方法對于模擬非線性力學(xué)行為的非連續(xù)材料在靜載或動載作用下的響應(yīng)過程非常的適用，在巖土工程中得到了廣泛應(yīng)用[3]。本文采用UDEC離散元軟件，針對煤層開采過程中巖層移動及礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

根據(jù)地質(zhì)勘探資料顯示，工作面的主要含煤地層有20多層，為了簡化分析模型，本次選取煤層底板和頂板以上覆巖地層作為研究對象，共17層。經(jīng)過分析判斷本煤系地層中含有兩層關(guān)鍵層，在計算模型中關(guān)鍵層與其他較薄地層不再劃分水平節(jié)理，而對關(guān)鍵層以外的其他厚度為5 m及以上的地層需要劃分水平節(jié)理，以便于提高運(yùn)算速度和保證計算精度，從而清晰地分析覆巖移動破壞規(guī)律以及煤層和頂?shù)装鍛?yīng)力分布狀態(tài)?？紤]到計算邊界效應(yīng)的影響，模型計算范圍取走向×高度=500 m×120.6 m，煤層平均埋深取266.6 m，考慮到開采邊界的影響，煤層兩側(cè)各設(shè)100 m的邊界保護(hù)煤柱。模型共劃分7 871個塊體，35 874個單元和44 648個結(jié)點，所建立的離散元計算模型，如圖1所示。

圖1 離散元計算模型

模型左右邊界施加法相約束；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[4-5]。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果可知，模型中各含煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)，見表2；計算模型中各地層的節(jié)理力學(xué)參數(shù)見表3。

表2 模型中含煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 模擬方案說明

重點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。具體方案是利用UDEC的初應(yīng)力計算功能，產(chǎn)生重力場，模擬未開挖前的巖層原始狀態(tài)；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0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa工況下工作面上覆巖層的運(yùn)移情況。

表3 模型中煤巖層節(jié)理力學(xué)參數(shù)

2 基于UDEC的液壓支架強(qiáng)度模擬研究

2.1 不同支護(hù)強(qiáng)度下覆巖移動特征

根據(jù)前面建立的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的控制。液壓支護(hù)強(qiáng)度為0.2 MPa時，工作面頂板最大沉降量約2 300 mm，工作面斷面收縮變形量較大，無法滿足生產(chǎn)需求；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0.4 MPa時，工作面頂板最大沉降量約1 400 mm，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0.8 MPa，沉降量控制在600 mm，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0.8 MPa時，尤其是支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.2 MPa，頂板的下沉量降低為200 mm以下，約為120 mm。支架強(qiáng)度由1.2 MPa增加至1.6 MPa以上后工作面頂板下沉量的減小約為20 mm，減幅約為16.7%。

a-支護(hù)強(qiáng)度為0.2 MPa；b-支護(hù)強(qiáng)度為0.4 MPa；c-支護(hù)強(qiáng)度為0.6 MPa；d-支護(hù)強(qiáng)度為0.8 MPa；e-支護(hù)強(qiáng)度為1.0 MPa；f-支護(hù)強(qiáng)度為1.2 MPa；g-支護(hù)強(qiáng)度為1.4 MPa；h-支護(hù)強(qiáng)度為1.6 MPa圖2 不同支護(hù)強(qiáng)度條件下頂板下沉情況

2.2 沉降量的計算研究

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，進(jìn)而可擬合得出支護(hù)強(qiáng)度p與工作面頂板下沉量w的關(guān)系曲線，如圖3所示，其關(guān)系表達(dá)式為

(1)

圖3 不同支護(hù)強(qiáng)度條件下頂板下沉量

由圖3分析可知，當(dāng)采高一定時，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0.2 MPa增加至1.2 MPa時，控頂范圍之內(nèi)頂板的下沉量從2 300 mm減小到200 mm，減少幅度為90%。當(dāng)支架的支護(hù)強(qiáng)度從1.2 MPa增加至1.6 MPa時，控頂范圍之內(nèi)頂板的最大下沉量從200 mm減小到100 mm，減少幅度相對很小，因此支架支護(hù)強(qiáng)度對控頂范圍之內(nèi)頂板的下沉量具有明顯的控制作用，但是有一定的限度，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到1.2 MPa之后，工作面頂板下沉量達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定。

2.3 模擬結(jié)果分析

液壓支架支護(hù)強(qiáng)度大于0.8 MPa以上時，工作面范圍內(nèi)的斷面空間能夠滿足生產(chǎn)需求；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1.2 MPa時，頂板最大沉降量變化幅度較小，約為16.7%。

3 結(jié)論

(1)建立了基于UDEC離散元數(shù)值分析的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度與工作面覆巖移動特性研究模型，并設(shè)置了模型中含煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)模擬結(jié)果來看，該模型的建立比較合理。

(2)通過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，得出液壓支架支護(hù)強(qiáng)度大于0.8 MPa以上時，工作面范圍內(nèi)的斷面空間能夠滿足生產(chǎn)需求；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1.2 MPa時，頂板最大沉降量變化幅度較小，約為16.7%；考慮到生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)效益兩方面的影響，建議該工作面頂板的支護(hù)強(qiáng)度在0.8～1.2 MPa之間選取。