辛置礦2-216工作面煤壁穩(wěn)定性與支架參數(shù)關系模擬分析

楊學師

(霍州煤電集團 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號煤層二采區(qū)，工作面走向長476 m，傾斜長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泥巖，均厚為3.0 m，基本頂為K8中細砂巖，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采，工作面液壓支架為ZY10000/26/55型掩護式液壓支架。工作面區(qū)域內斷層較為發(fā)育，煤層整體較為松軟，在回采過程中常出現(xiàn)煤壁片幫現(xiàn)象，片幫的最大長度為50 m，但片幫深度基本穩(wěn)定在0.3～0.5 m范圍，故擬通過調整支架的支護參數(shù)來控制煤壁片幫現(xiàn)象。

2 支架參數(shù)對煤壁穩(wěn)定性的影響

2.1 煤壁受力分析

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

根據(jù)眾多理論研究與工程實踐得出[1-2]，針對大采高工作面，工作面煤壁前方的垂直應力會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%，針對工作面液壓支架工作阻力的計算，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

通過對A點進行力矩平衡，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，理論分析的準確性無法保障，故采用數(shù)值模擬的方法進行具體分析。

2.2 支架工作阻力模擬分析

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

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

圖2 不同工作阻力下圍巖垂直應力分布曲線

由圖2可知，在不同支架支護阻力作用下，煤壁前方的支承應力呈現(xiàn)出不同的分布情況。當支架的工作阻力由8 000 kN增大到12 000 kN時，煤壁垂直應力的峰值出現(xiàn)逐漸減小的趨勢，垂直應力峰值由44 MPa減小到40 MPa，而工作面前方垂直應力峰值出現(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改變煤壁前方垂直應力分布的整體趨勢。

2) 圍巖塑性區(qū)分布。根據(jù)數(shù)值模擬結果，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，當支架的工作阻力為8 000 kN時，煤壁的塑性破壞深度為3 m；當支架的工作阻力增大到12 000 kN時，此時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。

2.3 支架護幫板水平推力模擬分析

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

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

圖4 不同護幫板水平推力下煤壁位移曲線

由圖4可知，隨著液壓支架護幫板水平推力的增大，煤壁最大水平位移逐漸降低，當支架護幫板水平推力由100 kN增大為300 kN時，煤壁最大水平位移的降低幅度最大，隨著支架護幫板水平推力的進一步增大，煤壁最大水平位移的下降幅度趨于平緩?；诖丝芍?，在護幫板水平推力較小時，此時增大護幫板的水平推力能夠降低煤壁的位移，當護幫板的水平推力增大到一定幅度后，此時若繼續(xù)增大護幫板的水平推力，對煤壁位移情況的控制性較小，故將支架護幫板的水平推力控制在合理范圍內，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)值模擬結果，不同支架護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，當護幫板的水平推力由100 kN增大500 kN時，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，進而有效防止工作面回采過程中出現(xiàn)片幫的現(xiàn)象。

圖5 不同支架護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

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

1) 合理設置支架初撐力及工作阻力。由模擬結果可知，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。在進行升架、移架作業(yè)時，應保障支架充分接頂，在合理范圍內盡量增大支架的初撐力，支架移架后，應盡快升起，降低煤壁所承受的載荷。

2) 增大支架護幫板的水平推力。增大支架護幫板的支護面積，能夠有效提升工作面煤壁的抗剪強度和抗壓強度，進而充分保障工作面煤壁出現(xiàn)向采空區(qū)一側移動的現(xiàn)象，降低煤壁出現(xiàn)片幫的幾率，在工作面回采過程中應充分應用支架的護幫板，在支架移架后及時支起護幫板，充分對煤壁進行支撐，設置護幫板的水平推力為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)相關研究可知[3-4]，隨著工作面推進速度的增快，工作面煤壁受到上覆巖層載荷的作用時間越少，越能降低煤壁的片幫幾率。因此，可以適當提升工作面的回采速度，并協(xié)調好液壓支架與采煤機的作業(yè)流程，在工作面回采后，及時進行移架，進而充分縮短煤壁的空頂時間。

4 結 語

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