軟弱煤層綜采放頂煤支架參數(shù)數(shù)值模擬及支架適應性分析

祁康華

（霍州煤電集團豐峪煤業(yè)有限責任公司，山西 霍州 031400）

1 工程概況

晉煤集團翼城晟泰青洼煤業(yè)2103工作面為綜采放頂煤工作面，本工作面主要開采2#煤層，實際埋藏深度為216.4～237.7m，煤塊表面有金屬光澤，煤的強度約為12.6MPa，煤質較軟，容重為1.43t/m3，煤層傾角為8～11°，平均9.5°，煤層厚度為3.85～6.2m，平均厚度4.66m，煤層中夾0～1層夾矸，夾矸總厚度為0～0.5m，穩(wěn)定可采，2號煤層結構簡單，無斷層以及其他地質結構，其中煤層頂板為黑色粉砂巖，質地較脆，底板為深灰色泥巖，煤體裂隙比較發(fā)育，該工作面水文地質條件中等，工作面采用綜合機械化放頂煤工藝開采，全部垮落法管理頂板，工作面中間架采用ZFY5000/17/33型，共91架，端頭架采用ZFS5800/18.5/33型，共6架，其中ZFY5000/17/33為兩柱掩護式支架。

2 2103綜采工作面放頂煤支架數(shù)值模擬

2.1 模型建立

針對2103綜采放頂煤工作面中支架選型，對支架的適應性進行了合理性分析，礦方采用ABAQUS軟件[1-2]對整個工作面放頂煤工藝過程進行了建模，模型長25.0m，高10.0m。模擬支架結構依據(jù)ZFS5000/17/33放頂煤液壓支架進行設計，頂煤選用實體單元，材料本構模型為Mohr-Coulomb模型，為方便建立接觸關系及分析支架頂梁受力狀態(tài)，支架頂梁采用實體單元，其中梁單元應用于支架掩護梁、底座及四連桿，材料均采用線彈性本構模型，建立模型如圖1所示。

圖1 放頂煤支架模型圖

2.2 頂梁前后比[3]數(shù)值模擬

本次工作面放頂煤應用的支架為ZFY5000/17/33，其支柱形式為兩柱掩護式，兩柱掩護式放頂煤支架可根據(jù)控頂需要來確定立柱上鉸點位置，即改變頂梁的前后比值，從而提高梁端支撐力，以利于對端面冒頂?shù)目刂疲诓煌闹Ъ芮昂箜斄罕认拢斆旱恼w穩(wěn)定性也不相同，所以為了確定合適的前后頂梁比，礦方分別在支架前后頂梁比值為0.72、1.31、2.42的情況下，對頂煤的破壞情況進行了模擬，模擬結果如圖2所示。

圖2 不同頂梁前后比對頂煤破壞效果模擬結果圖

圖2 為不同的頂梁前后比下，支架對頂煤的破壞效果模擬，觀察圖 2 中（a）（b）（c）可以看出隨著頂梁前后比值的增大，支架頂部煤體開始發(fā)生回轉變形，其中當支架前后頂梁比值為2.42時，端面頂板下沉量為312mm，變形量較大，穩(wěn)定性相對較差，這是因為此時支架頂梁的垂直工作阻力僅為0.46MPa，水平工作阻力為0.09MPa，支架不足以支撐頂煤的壓力；當支架前后頂梁前后比值為1.31時，支架頂部煤體變形量變小，端面頂板下沉量為62mm，支架頂梁垂直工作阻力為0.53MPa，水平工作阻力為0.11MPa，支架穩(wěn)定性相對提高；當支架頂梁前后比值為0.72時，可以發(fā)現(xiàn)支架的整體性能提高，頂煤保持平穩(wěn)下沉，此時支架頂梁的垂直工作阻力為0.65MPa，水平工作阻力為0.13MPa，端面頂板下沉量僅為54mm，支架控制效果良好；由此可見，在軟煤條件下，頂梁前后比減小，即立柱上鉸點位置靠前，既可以大幅提高支架的整體支撐能力，又可以提高其頂梁前端的支撐能力，因此可以確定本工作面合適的頂梁前后比值為0.72。

2.3 平衡千斤頂工作阻力模擬

本次工作面所用支架中平衡千斤頂是保持支架頂梁穩(wěn)定的重要部分，為了確定平衡千斤頂?shù)暮线m工作阻力，分別對平衡千斤頂工作阻力為0kN、1000kN、2000kN下回采過程對頂煤的破壞效果進行了模擬，模擬結果如圖3所示。

圖3 平衡千斤頂不同工作阻力下對頂煤破壞效果模擬圖

圖3 中分別展示出了平衡千斤頂不同工作阻力下支架對頂煤的破壞效果模擬圖，觀察圖3（a）可以發(fā)現(xiàn)當平衡千斤頂?shù)墓ぷ髯枇?kN時，頂煤發(fā)生了回轉變形，支架頂梁穩(wěn)定性差，端面頂板下沉量嚴重達到了444mm，觀察圖3（b）伴隨著平衡千斤頂工作阻力的增大，支架頂梁穩(wěn)定性有所提升，此時端面頂板下沉量為312mm，可以看出與平衡千斤頂工作阻力為0kN相比僅僅減少了29.7%，端面頂板下沉量得到了控制，但控制效果不是太理想，觀察圖3(c)當平衡千斤頂工作阻力為2000kN時，支架頂梁穩(wěn)定性強，此時端面頂板下沉量為123mm，與平衡千斤頂工作阻力為0kN相比減少了72.2%，與平衡千斤頂工作阻力為1000kN相比減少了60.5%，端面頂板下沉量也得到了較好的控制，通過以上分析可以得出平衡千斤頂合適的工作阻力為2000kN。

3 工業(yè)實驗

3.1 支架工作阻力[4]觀測

當支架采用上述模擬結果，即將支架頂梁前后比調整為0.72，平衡千斤頂工作阻力調為2000kN，礦方為了了解支架的實際應用效果，為此進行了工業(yè)性實驗，本次現(xiàn)場觀測布置在2103綜采放頂煤工作面，同時為了確保整個工作面支架的工作狀態(tài)能夠滿足生產(chǎn)要求，使現(xiàn)場數(shù)據(jù)更加豐富，礦方分別在工作面上部、中部、下部選擇了5架支架，從而來確保監(jiān)測相對準確，本次觀測主要通過對支架工作阻力進行觀測，工作阻力的觀測數(shù)據(jù)通過壓力傳感器進行測量，并對數(shù)據(jù)進行整理分析得到2103工作面回采過程中支架工作阻力統(tǒng)計分析表。

表1 工作面上部支架工作阻力統(tǒng)計分析表

表2 工作面中部支架工作阻力統(tǒng)計分析表

表3 工作面下部支架工作阻力統(tǒng)計分析表

通過整理現(xiàn)場數(shù)據(jù)得到表1，從表1中可以看出非來壓期間，放頂煤前工作面上部支架的最大工作阻力為5914kN，占據(jù)額定工作阻力比值的69.6%，放煤后最大工作阻力為5259kN，占據(jù)額定工作阻力的61.9%，從數(shù)據(jù)來看放煤前工作阻力是放煤后的1.11倍；而在頂板來壓期間，放煤后工作阻力與放煤前相比，降低了935kN，約11個百分點，放煤前最大工作阻力與非來壓期間最大工作阻力相比，同比增長了1684kN，約19.8個百分點；在以上對比中可以得出放煤后工作阻力都會下降，而在頂板來壓期間支架工作阻力的利用率會有所提高，工作面上部支架工作阻力都處于額定工作阻力之下，另外支架在放頂煤期間支架額定工作阻力利用率達到了89.4%，支架支撐能力得到了較大的發(fā)揮。

表2為工作面中部的液壓支架在回采過程中工作阻力觀測統(tǒng)計分析表，非來壓期間支架最大工作阻力為6178kN，支架額定工作阻力利用率為72.7%，來壓期間中支架最大工作阻力為7500kN，額定工作阻力利用率達到最大值為88.2%，可以看出工作面支架工作阻力在額定工作阻力范圍內，支架能夠對工作面中部起到良好的支撐作用，；分析表3中數(shù)據(jù)可以得出工作面下部支架在回采過程中最大工作阻力為8195kN，此時的支架支撐能力得到了最大程度的發(fā)揮，利用率達到了96.4%，可以看出下部支架運行狀態(tài)處于正常，額定工作阻力利用率達到最高值96.4%。

綜上所述，通過對表1、表2、表3進行分析，可以發(fā)現(xiàn)支架在整個回采過程中處與正常工作狀態(tài)，支架的支撐能力得到了較高程度的發(fā)揮，其中最高達到了為96.4%，支架的適應性效果良好。

4 結 論

針對晉煤集團翼城晟泰青洼煤業(yè)2103綜采放頂煤工作面，為了確定放頂煤支架在生產(chǎn)過程中的合適參數(shù)，本次對2103工作面所選支架的前后頂梁比以及平衡千斤頂?shù)墓ぷ髯枇M行了數(shù)值模擬，得出了較為合適的前后頂梁比為0.72，平衡千斤頂?shù)暮线m工作阻力為2000kN，為了驗證支架的實際應用效果，礦方對支架工作阻力進行了觀測，分析后發(fā)現(xiàn)支架工作阻力都在額定工作阻力之下，而且支架的利用程度較高，最高達到了額定工作阻力的96.4%，現(xiàn)場應用效果良好，為煤礦安全生產(chǎn)提供了安全保證。