辛置礦2-216工作面煤壁穩(wěn)定性與支架參數(shù)關(guān)系模擬分析

楊學(xué)師

(霍州煤電集團(tuán) 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

1 工程概況

辛置礦2-216工作面位于2號(hào)煤層二采區(qū)，工作面走向長(zhǎng)476 m，傾斜長(zhǎng)203 m，煤層平均厚度4.1 m，平均傾角為9°。煤層直接頂為泥巖與砂質(zhì)泥巖，均厚為3.0 m，基本頂為K8中細(xì)砂巖，均厚為7.2 m；直接底為泥巖，均厚為4.5 m，老底為中砂巖，均厚為6.5 m。采用大采高一次采全高開(kāi)采，工作面液壓支架為ZY10000/26/55型掩護(hù)式液壓支架。工作面區(qū)域內(nèi)斷層較為發(fā)育，煤層整體較為松軟，在回采過(guò)程中常出現(xiàn)煤壁片幫現(xiàn)象，片幫的最大長(zhǎng)度為50 m，但片幫深度基本穩(wěn)定在0.3～0.5 m范圍，故擬通過(guò)調(diào)整支架的支護(hù)參數(shù)來(lái)控制煤壁片幫現(xiàn)象。

2 支架參數(shù)對(duì)煤壁穩(wěn)定性的影響

2.1 煤壁受力分析

在工作面回采過(guò)程中，煤壁會(huì)受到覆巖荷載的作用，該載荷其中一部分會(huì)由支架的工作阻力承擔(dān)，進(jìn)而影響煤壁前方的應(yīng)力分布情況，所以通過(guò)分析液壓支架工作阻力的變化情況，進(jìn)而確定出煤壁穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

根據(jù)眾多理論研究與工程實(shí)踐得出[1-2]，針對(duì)大采高工作面，工作面煤壁前方的垂直應(yīng)力會(huì)在較大程度上受到支架初撐力及工作阻力的影響，一般選取液壓支架的初撐力為工作阻力的60%～85%，針對(duì)工作面液壓支架工作阻力的計(jì)算，采用基本頂破斷后的巖塊模型，具體模型如圖1所示。

圖1 工作面煤壁受力模型

通過(guò)對(duì)A點(diǎn)進(jìn)行力矩平衡，能夠分析得出煤壁壓力Q與支架工作阻力P之間的關(guān)系如下：

(1)

式中：Q為煤壁承受的壓力；q1為基本頂上覆巖層荷載；L為基本頂破斷巖塊的長(zhǎng)度；T為基本頂破斷巖塊的水平力；γ為基本頂破斷巖塊的容重；h為基本頂破斷巖塊高度；Lp為支架到頂板破斷點(diǎn)A的距離；P為液壓支架的工作阻力；LR為煤壁到頂板破斷點(diǎn)A的距離；φr為破斷巖塊間的摩擦角。

從式(1)能夠看出煤壁所受的壓力會(huì)隨著支架工作阻力的增大而逐漸減小，由于公式中參數(shù)太多，理論分析的準(zhǔn)確性無(wú)法保障，故采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行具體分析。

2.2 支架工作阻力模擬分析

根據(jù)2-216工作面的地質(zhì)賦存條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立力學(xué)模型，模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=250 m×50 m×100 m，固定模型側(cè)邊及底邊的位移，在模型上覆施加覆巖自重應(yīng)力載荷，選取工作面推進(jìn)距離為150 m，采高為4.1 m，分別對(duì)支架工作阻力為8 000 kN、9 000 kN、10 000 kN、11 000 kN、12 000 kN五種情況下進(jìn)行模擬，具體分析不同支架工作阻力作用下圍巖垂直應(yīng)力及塑性區(qū)的發(fā)育狀態(tài)。

1) 垂直應(yīng)力分布。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在工作面煤壁前方40 m范圍內(nèi)，圍巖垂直應(yīng)力的分布曲線如圖2所示。

圖2 不同工作阻力下圍巖垂直應(yīng)力分布曲線

由圖2可知，在不同支架支護(hù)阻力作用下，煤壁前方的支承應(yīng)力呈現(xiàn)出不同的分布情況。當(dāng)支架的工作阻力由8 000 kN增大到12 000 kN時(shí)，煤壁垂直應(yīng)力的峰值出現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，垂直應(yīng)力峰值由44 MPa減小到40 MPa，而工作面前方垂直應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置基本未發(fā)生變化；由此得出，工作面煤壁前方垂直應(yīng)力的峰值受支架工作阻力的影響，但支架工作阻力的變化不會(huì)改變煤壁前方垂直應(yīng)力分布的整體趨勢(shì)。

2) 圍巖塑性區(qū)分布。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，不同支架工作阻力下工作面煤壁塑性區(qū)的分布特征如圖3所示。

圖3 不同支架工作阻力下圍巖塑性區(qū)分布

由圖3可知，不同支架工作阻力下，煤壁均表現(xiàn)為以剪切破壞為主，當(dāng)支架的工作阻力為8 000 kN時(shí)，煤壁的塑性破壞深度為3 m；當(dāng)支架的工作阻力增大到12 000 kN時(shí)，此時(shí)煤壁的破壞深度減小為2 m，且煤壁前方塑性破壞的面積也出現(xiàn)較大范圍的降低。由此得出，工作面支架的工作阻力與煤壁的破壞深度呈反比關(guān)系，即隨著支架工作阻力的增大，煤壁的破壞深度及破壞面積均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

2.3 支架護(hù)幫板水平推力模擬分析

為有效分析液壓支架護(hù)幫板水平推力對(duì)煤壁穩(wěn)定性的影響，仍采用上述模型，設(shè)置護(hù)幫板的水平推力分別為100 kN、200 kN、300 kN、400 kN和500 kN，對(duì)不同護(hù)幫板水平推力下圍巖位移及塑性區(qū)分布特征進(jìn)行模擬分析。

1) 圍巖位移分布。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，不同護(hù)幫板水平推力下煤壁位移曲線如圖4所示。

圖4 不同護(hù)幫板水平推力下煤壁位移曲線

由圖4可知，隨著液壓支架護(hù)幫板水平推力的增大，煤壁最大水平位移逐漸降低，當(dāng)支架護(hù)幫板水平推力由100 kN增大為300 kN時(shí)，煤壁最大水平位移的降低幅度最大，隨著支架護(hù)幫板水平推力的進(jìn)一步增大，煤壁最大水平位移的下降幅度趨于平緩。基于此可知，在護(hù)幫板水平推力較小時(shí)，此時(shí)增大護(hù)幫板的水平推力能夠降低煤壁的位移，當(dāng)護(hù)幫板的水平推力增大到一定幅度后，此時(shí)若繼續(xù)增大護(hù)幫板的水平推力，對(duì)煤壁位移情況的控制性較小，故將支架護(hù)幫板的水平推力控制在合理范圍內(nèi)，有利于控制工作面煤壁的穩(wěn)定。

2) 圍巖塑性區(qū)分布。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，不同支架護(hù)幫板水平推力下圍巖塑性區(qū)的分布特征如圖5所示。

由圖5可知，隨著液壓支架護(hù)幫板水平推力的逐漸增大，工作面煤壁的破壞深度及破壞面積均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，當(dāng)護(hù)幫板的水平推力由100 kN增大500 kN時(shí)，煤壁的破壞深度由2 m減小為1 m，破壞面積由7.75 m2減小為4.65 m2。由此可知，提升護(hù)幫板的水平推力能夠降低工作面煤壁破壞深度和破壞面積，進(jìn)而有效防止工作面回采過(guò)程中出現(xiàn)片幫的現(xiàn)象。

圖5 不同支架護(hù)幫板水平推力下圍巖塑性區(qū)分布

3 煤壁穩(wěn)定性控制技術(shù)

根據(jù)2-216工作面煤壁片幫的具體特征，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，確定工作面控制煤壁片幫的技術(shù)為合理設(shè)置支架初撐力及工作阻力+增大支架護(hù)幫板水平推力+提升工作面的回采速度的方式。

1) 合理設(shè)置支架初撐力及工作阻力。由模擬結(jié)果可知，提升支架的工作阻力能夠有效控制煤壁前方塑性區(qū)的發(fā)育，降低煤壁前方垂直應(yīng)力的分布，由于支架初撐力一般為工作阻力的60%～85%，2-216工作面使用ZY10000/26/55型掩護(hù)式液壓支架，支架的工作阻力為10 000 kN，初撐力為7 912 kN，由此可知，支架的工作阻力和初撐力在合理范圍內(nèi)。在進(jìn)行升架、移架作業(yè)時(shí)，應(yīng)保障支架充分接頂，在合理范圍內(nèi)盡量增大支架的初撐力，支架移架后，應(yīng)盡快升起，降低煤壁所承受的載荷。

2) 增大支架護(hù)幫板的水平推力。增大支架護(hù)幫板的支護(hù)面積，能夠有效提升工作面煤壁的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，進(jìn)而充分保障工作面煤壁出現(xiàn)向采空區(qū)一側(cè)移動(dòng)的現(xiàn)象，降低煤壁出現(xiàn)片幫的幾率，在工作面回采過(guò)程中應(yīng)充分應(yīng)用支架的護(hù)幫板，在支架移架后及時(shí)支起護(hù)幫板，充分對(duì)煤壁進(jìn)行支撐，設(shè)置護(hù)幫板的水平推力為300 kN，能夠在合理的水平推力下控制住煤壁的破壞。

3) 提升工作面的回采速度。根據(jù)相關(guān)研究可知[3-4]，隨著工作面推進(jìn)速度的增快，工作面煤壁受到上覆巖層載荷的作用時(shí)間越少，越能降低煤壁的片幫幾率。因此，可以適當(dāng)提升工作面的回采速度，并協(xié)調(diào)好液壓支架與采煤機(jī)的作業(yè)流程，在工作面回采后，及時(shí)進(jìn)行移架，進(jìn)而充分縮短煤壁的空頂時(shí)間。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)辛置礦2-216工作面煤壁片幫的具體特征，通過(guò)采用數(shù)值模擬分析支架工作阻力和護(hù)幫板水平推力對(duì)圍巖控制的影響，進(jìn)而提出“合理設(shè)置支架初撐力及工作阻力+增大支架護(hù)幫板水平推力+提升工作面的回采速度”的煤壁穩(wěn)定性控制技術(shù)，實(shí)施后，煤壁出現(xiàn)片幫的幾率大幅度降低，最大片幫深度和長(zhǎng)度也大大縮小，保障了煤壁的穩(wěn)定。