綜采工作面上覆巖層與支架相互作用研究

寧杰恒

（山西省臨汾西山能源有限責(zé)任公司，山西 臨汾041000）

隨著煤炭開采技術(shù)與開采深度的不斷推進(jìn)，工作面支架的選取以及煤礦上覆巖層的運(yùn)動規(guī)律也需要深入的研究，對此，不少學(xué)者已有自己的見解，王國法通過分析近年來大采高技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)行了大采高液壓支架的可行性分析，為我們提供了重要的支持[1]，徐亞軍通過對工作面液壓支架的力學(xué)特性的研究，建立了圍巖與支架相互耦合的數(shù)學(xué)模型，并將理論分析運(yùn)用到實際，分析了液壓支架的載荷分布，驗證了其理論的正確性[2]，楊元凱，李瑞杰，孫攀等以神東公司為基礎(chǔ)，探討了煤礦的礦壓理論。通過對頂?shù)装迨芰Φ姆治?，為液壓支架的選擇提供了重要的依據(jù)[3]，蘇林軍針對大采高工作面，即一次采全厚的煤層，在其他采煤設(shè)備的配合下，重點分析了支架在支護(hù)過程中對于頂板的維護(hù)作用，液壓支架所受的阻力等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了研究，為實際的液壓支架的設(shè)計與維護(hù)提供了可靠的技術(shù)。

本文在眾多學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，從理論到數(shù)值模擬再到數(shù)學(xué)計算，詳細(xì)的分析了工作面復(fù)雜的力學(xué)規(guī)律，在“砌體梁”假說的基礎(chǔ)上，考慮到圍巖與支架的作用規(guī)律，對液壓支架的選擇提出了可行性建議。

1 綜采工作面上覆巖層與支架相互作用關(guān)系

關(guān)于煤礦采場上覆巖層的運(yùn)動規(guī)律，現(xiàn)已有很多假說，“壓力拱”假說認(rèn)為隨著采煤機(jī)的推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層垮落后，此時達(dá)到一個穩(wěn)定的壓力拱結(jié)構(gòu)，支架只承擔(dān)壓力拱內(nèi)巖層的質(zhì)量就可以保證工作面的連續(xù)推進(jìn)，改假說忽略了支架與圍巖之間的相互作用；“懸臂梁”假說認(rèn)為隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)頂板呈現(xiàn)懸空狀態(tài)，工作面一端在上覆巖層壓力的作用下固定在煤壁中，只有當(dāng)工作面推進(jìn)到一定長度，采空區(qū)頂板在自重力的作用力會實現(xiàn)自動垮落，改假說認(rèn)為這也是形成礦井周期不穩(wěn)定來壓的原因；“鉸接巖塊”假說認(rèn)為工作面推進(jìn)后，支架上方依次會形成不規(guī)則的垮落帶、規(guī)則垮落帶以及規(guī)則的移動帶，采動過后，不規(guī)則垮落帶先垮落，規(guī)則的垮落帶也就是層狀巖層會隨之垮落，上覆規(guī)則的移動帶會在載荷和重力作用下出現(xiàn)不規(guī)則的斷層，部分會發(fā)生垮落，隨著采煤機(jī)的推進(jìn)，上覆規(guī)則移動帶會逐步垮落；“預(yù)成裂隙”假說把工作面附近分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和采動影響區(qū)三個區(qū)域，改假說認(rèn)為隨工作面的采動，原巖應(yīng)力遭到破壞，上覆巖層會在出現(xiàn)裂縫后逐步形成塑性穩(wěn)定區(qū)，巖層通過自重應(yīng)力從而實現(xiàn)逐層垮落。

我國學(xué)者錢鳴高教授在已有假說的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了“砌體梁”假說，如下頁圖1所示。“砌體梁”假說認(rèn)為采動過后，直接頂會先行垮落，直接頂上覆巖層會形成穩(wěn)定的S-R結(jié)構(gòu)而達(dá)到穩(wěn)定，塊體之間在水平應(yīng)力的相互作用下能承擔(dān)上覆巖層的質(zhì)量，且靠近直接頂?shù)膸r層塊狀相對較多?！捌鲶w梁”假說充分考慮了圍巖與支架相互的作用，它認(rèn)為因為采動影響，支架被動接受圍巖帶來的壓力從未達(dá)到工作面的穩(wěn)定。該假說成功結(jié)合微觀和宏觀，解釋了巷道圍巖和支架相互作用的規(guī)律，為我國煤礦安全生產(chǎn)提供了強(qiáng)大的理論支持。

2 工作面液壓支架的數(shù)值模擬以及選擇

在煤礦生產(chǎn)中，采煤機(jī)是必不可少的機(jī)械設(shè)備，上文我們對采場上覆巖層和支架的演化規(guī)律進(jìn)行了討論，本節(jié)我們用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對工作面的原巖應(yīng)力分布以及不同支護(hù)強(qiáng)度下巖層的垂直位移云圖進(jìn)行了模擬，F(xiàn)LAC3D因為其強(qiáng)大的繪圖能力以及豐富的數(shù)值模型而受到國內(nèi)學(xué)者的肯定，利用FLAC3D的數(shù)值耦合計算進(jìn)行了模擬，從模擬圖2中可以看出，在所選取的范圍內(nèi)，巖層的原巖應(yīng)力隨埋藏的增加而增加，埋藏淺的巖層則其原巖應(yīng)力相對較小，況且?guī)r層之間的應(yīng)力分布界限非常明顯。

圖1 “砌體梁”假說模型

圖2 原巖應(yīng)力（Pa）分布圖

圖3 支護(hù)強(qiáng)度為0.5 MPa時的垂直位移（m）云圖

圖4 支護(hù)強(qiáng)度為1.0 MPa時的垂直位移（m）云圖

圖3、圖4模擬了支護(hù)強(qiáng)度為0.5 MPa和1.0 MPa情況下垂直位移云圖，兩種支護(hù)強(qiáng)度下最大的垂直位移分別為3.7 cm和2.9 cm，從模擬圖3、圖4中可以明顯看到上覆巖層的位移移動有所改善，支護(hù)強(qiáng)度為0.5 MPa時，直接頂位移明顯較大，其上覆巖層也因直接頂位移的改變而增加；對于支護(hù)強(qiáng)度為1.0 MPa的情況，直接頂?shù)奈灰频玫矫黠@的改善，從數(shù)值上減少了0.8 cm，這一改變對于工作面的采動支護(hù)有重要的影響。同時依然可以看到支護(hù)強(qiáng)度增加后，上覆巖層垂直位移依次降低。

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果以及實際的數(shù)據(jù)，計算得到了支護(hù)強(qiáng)度的與頂板垂直位移的關(guān)系圖，如圖5所示。整體來看，支護(hù)強(qiáng)度的增加后，頂板垂直位移得到較大的改善，在支護(hù)強(qiáng)度為0～0.4 MPa時，頂板垂直位移隨支護(hù)強(qiáng)度稱線性減少的趨勢；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0.4～0.7 MPa時，頂板垂直位移減低趨勢減小，但是依舊在支護(hù)的作用下遞減；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0.7～1.0 MPa時，頂板的垂直位移效果最佳，雖然其變化率最低，但是效果是最佳的，尤其當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為1.0MPa時，曲線接近平緩，支護(hù)達(dá)到最佳的效果，這也是所預(yù)期的結(jié)果。

結(jié)合實際情況，雖然支護(hù)強(qiáng)度為1.0 MPa效果最佳，頂板垂直位移最小，但是考慮到直接實際的承壓能力以及經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)頂板垂直位移不足以影響生產(chǎn)，支架的承壓能力又剛好支撐頂板時，達(dá)到支護(hù)與實際經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

根據(jù)“砌體梁”假說，在采煤機(jī)采過后，上覆的巖層并不是直接全部的垮落，支架的選擇只需要保證采煤過程中頂板的最大應(yīng)力區(qū)的最大應(yīng)力以及由于采動過程中帶來的沖擊載荷的沖擊作用，要想滿足此要求，支架最好選擇穩(wěn)定的四柱式液壓支架，此支架在保證支護(hù)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，可以對礦山的周期來壓等實現(xiàn)多次重復(fù)性的支撐作用，同時因為支架上部面積較大，可以實現(xiàn)工作面頂板的完整性和穩(wěn)定性，這可以減少不穩(wěn)定的壓力對設(shè)備以及工作面造成的無規(guī)則破壞，對于井下頂板相對破碎的煤壁，此支架是非常好的選擇，并且因為支架的工作靈活性大、便于維修、適用范圍廣等優(yōu)點，我們將其作為首選的支護(hù)設(shè)備。

圖5 不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板垂直位移關(guān)系圖

3 結(jié)論

通過對已有綜采工作面上覆巖層與支架相互作用有關(guān)假說的討論，對工作面垂直位移和支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對支架的選擇進(jìn)行了可行性分析，得到以下結(jié)論：

1）在已有的假說中，錢鳴高教授提出的“砌體梁”假說除考慮到上覆巖層的自重與相互作用外，還考慮到圍巖與支架之間的相互作用，充分解釋了工作面復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，為我國煤炭安全開采提供了重要的理論支持。

2）通過對支護(hù)強(qiáng)度為0.5 MPa時的垂直位移云圖和1.0 MPa時的垂直位移云圖的模擬，發(fā)現(xiàn)支護(hù)強(qiáng)度值越高，垂直位移越小，考慮到實際的工作情況和經(jīng)濟(jì)效益，支護(hù)強(qiáng)度定為0.7 MPa是最合適的選擇。

3）對于支架的選擇，應(yīng)該充分考慮到支架的支護(hù)能力以及對不同頂板的支護(hù)效果，在合理的支護(hù)強(qiáng)度范圍內(nèi)，達(dá)到安全穩(wěn)定的支護(hù)效果，并用相對較小的投入得到可觀的收益是煤礦的首選。