蘭興煤業(yè)2號(hào)煤支架選型研究

宋濤　張凡

摘要：調(diào)研了蘭興煤業(yè)煤層條件及2號(hào)+煤頂?shù)装迩闆r，分析了地質(zhì)條件及柱狀圖確定綜采面的采高。2號(hào)+煤頂?shù)装鍨樯百|(zhì)泥巖壓、泥巖等條件，根據(jù)資料對(duì)對(duì)液壓支架進(jìn)行了合理配套及選型，確定了支架的工作阻力和采高范圍;通過(guò)FLAC3D模擬軟件建立數(shù)值模型，對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行了分析，為綜采面液壓支架配套、選型研究提供了一定參考。

Abstract： The coal seam conditions of Lanxing coal industry and the condition of No.2 + coal roof and floor were investigated. The geological conditions and histogram were analyzed to determine the mining height of the fully mechanized mining face. No.2 + coal roof is sandstone mudstone pressure， mudstone and other conditions. According to the data， the hydraulic support is properly matched and selected， and the working resistance and height range of the bracket are determined. The numerical model is established by FLAC3D simulation software. The support effect was analyzed， which provided a reference for the matching and selection research of hydraulic support for fully mechanized mining face.

關(guān)鍵詞：地質(zhì)條件;選型; 配套; 液壓支架;數(shù)值模擬

Key words： geological conditions;type selection;matching;hydraulic support;numerical simulation

中圖分類(lèi)號(hào)：TD355? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）14-0137-03

0? 引言

山西許多煤企業(yè)兼并重組，為合理開(kāi)發(fā)煤炭資源、增強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)，針對(duì)蘭興煤業(yè)礦2號(hào)+煤層進(jìn)行了機(jī)械化開(kāi)采方案及液壓支架配套方案的可行性研究。

該礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬(wàn)噸，根據(jù)蘭興煤業(yè)2號(hào)+煤層賦存條件及地質(zhì)條件，將年產(chǎn)量90萬(wàn)噸/年做為設(shè)計(jì)目標(biāo)，進(jìn)行了開(kāi)采方案及綜采支架配套方案分析，提出了合理的計(jì)算選型配套。

1? 地質(zhì)條件

1.1 煤層情況

該煤層位于山西組中部，上距1號(hào)煤層約6.00m，厚1.33～1.80m，平均1.55m。2號(hào)+煤層（如圖1）有層夾矸約在0.7～0.8m，上部煤厚度均為1.1m;下部厚為0.5m。

1.2 頂?shù)装迩闆r

直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，為2.50m厚度，整體較硬，便于管理。老頂為泥巖，抗壓強(qiáng)度為38.0～73.4MPa，平均60.1MPa，單向抗拉強(qiáng)度為1.97～3.06MPa，平均2.15MPa，穩(wěn)定性較好。

2? 工作面采高確定

該煤層距1號(hào)煤層平均6.00m，厚度1.33～1.80m，全井田穩(wěn)定可采。2號(hào)+煤上部理論厚度為1.2m;井下實(shí)測(cè)厚度在1.2～1.4m，多數(shù)在1.2m左右。2號(hào)+煤層理論厚度夾矸厚度在0.7～0.8m;實(shí)測(cè)厚度約0.3～0.6m。下部煤厚度為0.5m左右。

通過(guò)以上分析，確定2號(hào)+煤采高：

綜采面最大采高為2.3m;

綜采面最小采高為1.8m。

3? 架型選擇

由于2號(hào)+煤層頂?shù)装迨巧百|(zhì)泥巖、泥巖，可考慮兩柱掩護(hù)式支架的平衡油缸調(diào)節(jié)頂梁合力作用，并較好地適應(yīng)綜采面頂板壓力變化，頂梁前端支撐能力較大，支撐合力距煤壁距離較小，底板適應(yīng)性強(qiáng)，選型配套兩柱掩護(hù)式支架。

3.1 支護(hù)高度確定

高度計(jì)算

Hmax≥Mmax+（0.1～0.2）? ? ? ? ?（1）

Hmin≤Mmin-0.2? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：Mmax：綜采面最大采高;

Mmin：最小采高;Hmax：架子最大高度;

Hmin：最小高度。

2號(hào)煤最大采高2.3m，可確定支架最大最高2.4m;伸縮比大可選雙伸縮立柱，支架最小高度1.1m。

3.2 工作阻力計(jì)算

2號(hào)+煤層直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，厚度為2.50m，穩(wěn)定性較差，老頂是泥巖，單向抗壓強(qiáng)度大，且穩(wěn)定性較好;支架工作阻力按Ⅰ～Ⅲ級(jí)基本頂條件計(jì)算。

綜采面老頂周期來(lái)壓步距

式中：

L：基本頂周期來(lái)壓步距，m;

q：巖梁均布載荷，取 0.125MPa;

H：基本頂分層厚度取5m;

Rt'：基本頂巖體抗拉強(qiáng)度選 2～3MPa。

代入數(shù)值得，老頂周期來(lái)壓步距為11～14m。

按照基本頂額定支護(hù)強(qiáng)度下限計(jì)算：

PS=72.3hm+4.5L+78.9Bc-10.24N-62.1

式中：

PS：額定支護(hù)強(qiáng)度下限;

N：直按頂與采高之比為0;

hm：煤層最大采高2.3m;

L：周期來(lái)壓步距， 井下調(diào)研為 11～14m。

工作阻力下限為

FS=PS·（SC·BC）/KS

FS：工作阻力下限;

SC：中心距為1.5m;

BC：最大控頂距4.0m;

KS：支撐效率0.8;

BC：最大控頂距4.0m。

代入計(jì)算FS=3538～3625KN，工作阻力應(yīng)取3800KN。

綜合上述計(jì)算結(jié)果，2號(hào)+煤支架工作阻力應(yīng)取3800kN。

4? 數(shù)值模擬分析

4.1 模型建立

采用FLAC3D軟件模擬分析，綜采面支護(hù)強(qiáng)度為0.5MPa下進(jìn)行動(dòng)態(tài)回采數(shù)值模擬。三維數(shù)值尺寸為420×250×210m，綜采面截深0.63m，長(zhǎng)度150m，煤層厚2.0m，頂板5m底板4.0m，用非等份劃分。模型劃分為26280個(gè)單元和36216個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，建立模型如圖2。

4.2 支護(hù)效果

設(shè)定綜采面支護(hù)強(qiáng)度0.5MPa時(shí)，可模擬出垂直位移分布云圖，從圖3中可知，控頂內(nèi)頂板豎向位移小，采空區(qū)頂板下沉逐漸增大，綜采面支護(hù)強(qiáng)度達(dá)0.5MPa時(shí)符合支架和采場(chǎng)圍巖關(guān)系，支護(hù)效果理想，有效控制頂板下沉。

圖4是綜采面0.5MPa支護(hù)強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)力分布圖，從圖中沿綜采面推進(jìn)方向垂直應(yīng)力前方3.5m內(nèi)迅速增大，達(dá)到峰值是4.5m左右，應(yīng)力為原應(yīng)力1.6～2.1倍，符合下圍巖應(yīng)力及采場(chǎng)圍巖的合理分布，頂板圍巖應(yīng)力較小說(shuō)明其穩(wěn)定性更好。

數(shù)值模擬0.5MPa支護(hù)強(qiáng)度時(shí)，能夠有效抑制頂板下沉量，且圍巖應(yīng)力值較小圍巖更加穩(wěn)定。因此支架提供的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)不小于0.5MPa。

5? 結(jié)論

通過(guò)蘭興煤業(yè)2號(hào)+煤層地質(zhì)調(diào)研及理論分析，對(duì)煤層綜采支架配套選型進(jìn)行了可行性研究，運(yùn)用FLAC3D建立三維模型，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行分析，滿足了綜采面支架選型配套要求。

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