深部大采高工作面復(fù)合頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律及支架狀態(tài)研究

劉建偉，雷照源，2，馬龍濤

(1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 黃陵 727307；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

煤炭能源的安全高效開采是西部礦區(qū)普遍面臨的問題。為了滿足由新時(shí)代下國內(nèi)主要矛盾轉(zhuǎn)化對(duì)能源的需求，煤炭資源開采已向深部邁進(jìn)[1]。深部開采中地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力及應(yīng)力傳播發(fā)生明顯變化，礦井呈現(xiàn)典型的“三高一擾動(dòng)”的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)[2-4]。給煤炭開采帶來了巨大的挑戰(zhàn)。根據(jù)科學(xué)采礦和煤炭革命3.0的煤炭生產(chǎn)理念[5]，煤炭安全生產(chǎn)必須以煤層賦存條件、圍巖結(jié)構(gòu)特征、采動(dòng)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，分析頂板運(yùn)動(dòng)及相應(yīng)支架的受力工況。

影響深部大采高工作面回采的主要因素為采高、推采速度、頂板結(jié)構(gòu)等。王國法等闡述了液壓支架與圍巖剛度耦合、強(qiáng)度耦合、穩(wěn)定性耦合關(guān)系理論的創(chuàng)立與應(yīng)用，針對(duì)厚煤層超大采高綜采，分析“懸臂梁”破壞失穩(wěn)的空間條件與力學(xué)條件[6，7]。龐義輝等對(duì)比分析了大采高液壓支架架型、護(hù)幫結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的適應(yīng)性，進(jìn)行了大采高液壓支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及適應(yīng)性分析[8，9]。婁金福等基于大采高采場覆巖“懸臂梁-層間巖層-砌體梁”結(jié)構(gòu)模型，對(duì)特大采高綜采工作面支架合理工作阻力進(jìn)行了確定。隨著煤炭資源不斷向深部邁進(jìn)，巖層運(yùn)動(dòng)及支架選型的實(shí)踐探索及研究具有現(xiàn)實(shí)必要性[10]。梁運(yùn)培等得出了大采高綜采采場關(guān)鍵層存在2種結(jié)構(gòu)形態(tài)和6種運(yùn)動(dòng)型式，并給出了各結(jié)構(gòu)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)型式的形成條件[11]。部分專家根據(jù)礦井自身?xiàng)l件，分別進(jìn)行大采高工作面礦壓、設(shè)備選型、煤柱設(shè)留等方面進(jìn)行針對(duì)性的研究[12，13]。

上述專家學(xué)者均是在走向的基礎(chǔ)上展開大采高工作面圍巖運(yùn)動(dòng)、支架工作阻力等方面的研究，工作面方向的頂板運(yùn)動(dòng)及支架工況的研究較少。充分借鑒前人的研究基礎(chǔ)，以陜西黃陵二號(hào)井為背景，以復(fù)合頂板控制為目標(biāo)，通過現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)值計(jì)算、理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測等方法，沿工作面傾向開展深部大采高工作面群復(fù)合頂板運(yùn)動(dòng)，并分析滿載下支架狀態(tài)，對(duì)深部礦井建立科學(xué)-安全-和諧的開采模式，具有現(xiàn)實(shí)的必要性。

1 工程背景

1.1 礦井生產(chǎn)情況

陜西黃陵二號(hào)煤礦于黃隴礦區(qū)中部，煤炭儲(chǔ)量豐富，頂板結(jié)構(gòu)變化大。是國家批建的14個(gè)大型煤炭生產(chǎn)基地(黃隴礦區(qū))的主要生產(chǎn)礦井之一；是陜西煤業(yè)能源有限責(zé)任公司特大型高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井；是集團(tuán)所屬主要優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤生產(chǎn)地之一。地質(zhì)構(gòu)造為一傾向北西-北西西的單斜構(gòu)造，地層傾角一般1°～5°。延安組呈一傾向北西西之單斜構(gòu)造將井田一分為二，其一位于井田中部，長約34km，寬約2.6～5km；其二位于井田西部，長約28km，寬約3.5km，幅度20～30m。

目前二號(hào)煤礦開采的四盤區(qū)為單翼開采，設(shè)置20工作面，組成大采高工作面群。各工作面走向長度2632m，傾斜長度約300m，工作面之間留設(shè)安保煤柱35m。煤層屬穩(wěn)定～較穩(wěn)定煤層，選用長壁后退式一次采全高采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。直接頂為上部的細(xì)粒砂巖和粉砂巖的總和，形成復(fù)合頂板。工作面平均每天推進(jìn)12刀，每刀進(jìn)尺0.9m。

1.2 圍巖特性

黃陵二礦煤層在埋深500m以上占到總儲(chǔ)量的65%以上，煤層埋藏條件如圖1所示。

圖1 煤層柱狀圖

礦井初期普查勘探結(jié)果表明：二號(hào)井開采范圍內(nèi)的四盤區(qū)，地表標(biāo)高+1157～+1364m，井下標(biāo)高+711～+732m，最大埋深650m，平均埋深約530m；工作面及附近鉆孔揭露的煤層厚度最大7.09m，最小5.1m，平均約為6.2m。四盤區(qū)各工作面煤層上覆頂板依次為細(xì)砂巖、粉砂巖相互交替疊加圍巖特征，見表1。

表1 煤層頂?shù)装逄匦?/p>

開采過程中采動(dòng)煤巖應(yīng)力與儲(chǔ)能隨時(shí)間與開采位置變化不斷釋放與轉(zhuǎn)移，加劇圍巖裂隙發(fā)育。單翼工作面有序更替，覆巖空間結(jié)構(gòu)加大，2018年10月至2019年3月，二號(hào)煤礦大采高工作面頂板動(dòng)力學(xué)災(zāi)害頻發(fā)。因此對(duì)頂板類型的確頂十分重要。

1.3 大采高工作面直接頂確定

大采高工作面造成來壓因素十分復(fù)雜，確定深部大采高工作面直接頂厚度、是否為堅(jiān)硬巖層極為重要。

由文獻(xiàn)可知[14]，大采高工作面直接頂厚度一般為采高的2～4倍。因此418工作面直接頂厚度為煤層上部的細(xì)粒砂巖和粉砂巖的組成的復(fù)合頂板，約21.2m。通過圍巖覆巖賦存情況，據(jù)關(guān)鍵層理論硬巖層判別公式[15]，見式(1)：

式中，γ為體積力，MPa；E為彈性模量，MPa；h為巖層厚度，m；j為巖層編號(hào)。

418工作面上部的14.8m粉砂巖、183.37m中砂巖為堅(jiān)硬巖層。

依據(jù)巖層破斷形式根據(jù)破斷距(l)公式[16]計(jì)算出各巖層的破斷距。依次分別為lf=20.76m、lz=67.55m。依據(jù)判別式(2)，得出各巖層均為關(guān)鍵層。14.8m粉砂巖為亞關(guān)鍵層，其破斷、回轉(zhuǎn)、垮落為整個(gè)工作面的回采來壓提供力源。

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(2)

開采過程中采動(dòng)煤巖應(yīng)力與儲(chǔ)能隨時(shí)間與開采位置變化而不斷釋放與轉(zhuǎn)移，加劇圍巖裂隙發(fā)育。工作面頂板出現(xiàn)分層垮落現(xiàn)象，細(xì)砂巖會(huì)隨工作面回采直接垮落，粉砂巖呈“懸臂梁-砌體梁”結(jié)構(gòu)，生成懸頂，達(dá)到破斷后形成周期垮落。易造成煤壁片幫、周期來壓劇烈等礦壓顯現(xiàn)。

2 復(fù)合頂板數(shù)值模擬

根據(jù)四盤區(qū)巖層賦存特點(diǎn)，建立FLAC3D三維數(shù)值模型，分析工作面更迭下應(yīng)力分布、變形特征。圍巖力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

模型尺寸為1500m×570m×10m，節(jié)點(diǎn)共17586個(gè)、劃分網(wǎng)格11468個(gè)，工作面模擬至地表。模型設(shè)計(jì)三個(gè)工作面，依次開挖414、416、418工作面，工作面安保煤柱35m。通過Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計(jì)算，分析采動(dòng)下復(fù)合頂板應(yīng)力—運(yùn)動(dòng)—破壞特征。

3 工作面頂板演化規(guī)律

3.1 覆巖塑性破壞特征

采動(dòng)后計(jì)算輸出的塑性破壞區(qū)分布數(shù)據(jù)均賦予相對(duì)的時(shí)間概念。工作面頂板受時(shí)空關(guān)系、覆巖結(jié)構(gòu)、巖性等因素影響，工作面依次開采后覆巖發(fā)生破壞，其演化特征如圖2所示。

圖2 各工作面復(fù)合頂板演化規(guī)律

414、416工作面依次回采后，整個(gè)覆巖均呈現(xiàn)對(duì)稱的塑性破壞，以剪切破壞為主。414工作面回采后，頂板細(xì)砂巖和103m處巖層塑性貫通；頂板粉砂巖內(nèi)部210m范圍完整，完整性占到整個(gè)工作面的70%。416工作面開采結(jié)束后，巖層破壞范圍增大，呈“拱”型破壞特征。103m內(nèi)覆巖的塑性貫通破壞增加，粉砂巖頂板內(nèi)部的完整范圍約120m，完整性占整個(gè)工作面的40%。414至416工作面開采更替中，塑性破壞高度由273m增至360m。

418工作面開采，加劇了盤區(qū)內(nèi)擾動(dòng)范圍，如圖2(b)所示。開采穩(wěn)定后，覆巖塑性破壞加大并具有對(duì)稱性，最大破壞高度與416工作面基本一致。418工作面頂板的粉砂巖內(nèi)部約80m穩(wěn)定，完整性約為26.7%。此時(shí)，各工作面粉砂巖頂板的完整范圍約100m、0m、80m。

由此可知，大采高工作面群覆巖塑性破壞擾高度約360m；工作面復(fù)合頂板出現(xiàn)分層垮落現(xiàn)象且粉砂巖具有穩(wěn)定性。隨開采范圍增大，粉砂巖完整性逐漸降低；粉砂巖為工作面來壓提供力源。

3.2 工作面頂板應(yīng)力擾動(dòng)特征

頂板的原巖應(yīng)力擾動(dòng)應(yīng)力是判斷各巖層能量的釋放和轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。為了反映盤區(qū)頂板隨層位不同的變化，依次提取沿工作面?zhèn)€位置的應(yīng)力峰值，如表3所示。第一次(414開挖)計(jì)算結(jié)果相比較，盤區(qū)工作面更迭后，增加了3～4MPa；416、418依次開挖，各巖層應(yīng)力相差在1MPa內(nèi)。煤柱受兩個(gè)工作面的采動(dòng)影響的疊加，應(yīng)力峰值約為工作面?zhèn)鹊?.6倍。盤區(qū)隨著工作面開挖個(gè)數(shù)的增加，煤柱應(yīng)力最終穩(wěn)定在42MPa左右。

表3 應(yīng)力峰值特征

三個(gè)工作面開采后擾動(dòng)后，頂板分布規(guī)律基本相同，其布情況如圖3所示。工作面開挖擾動(dòng)后，煤柱側(cè)應(yīng)力變化最大，且粉砂巖峰值略高細(xì)砂巖。工作面兩側(cè)的應(yīng)力峰值穩(wěn)定在工作面邊界在30m左右，工作面中部280m為卸壓區(qū)。

圖3 工作面復(fù)合頂板應(yīng)力擾動(dòng)特征

由此表明：各工作面采動(dòng)下的頂板塑性破壞、應(yīng)力釋放具有一定的獨(dú)立性。正常盤區(qū)工作面更替時(shí)，工作頂板應(yīng)力能夠得的充分釋放。由于復(fù)合頂板的協(xié)同性和儲(chǔ)能的差異性，粉砂巖的破損-垮落釋放的能量大，易造成工作面動(dòng)力災(zāi)害。工作面臨空位置相對(duì)應(yīng)力較為，來壓更為劇烈。

4 支架參數(shù)確定

4.1 支架選型確定

通過上述分析，各工作面運(yùn)動(dòng)具有獨(dú)立性，但隨著工作面的更迭，增加了覆巖的擾動(dòng)尺寸。因此，支架選型主要考慮“復(fù)合頂板-支架”的雙饋?zhàn)饔谩?/p>

深部大采高工作面復(fù)合頂板下的支架必須保證穩(wěn)定性強(qiáng)、工作阻力高等特點(diǎn)。同時(shí)支架必須具備支架水平抗傾和承載能力，以便適應(yīng)復(fù)合頂板運(yùn)動(dòng)對(duì)支架穩(wěn)定性影響。工作面復(fù)合頂板失穩(wěn)過程形成了“支架-頂板”的動(dòng)態(tài)力學(xué)過程，如圖4所示。

圖4 工作面復(fù)合頂板垮落狀態(tài)

底板反力作用于支架底座前端為作用點(diǎn)O，根據(jù)力矩極限平衡條件可知，支架自重作用方向與支架底座下邊緣的水平距離(b)與煤層傾角(α)成反比，見式(1)、式(2)。支架底座越寬、支架重心越低、支架越穩(wěn)定，適應(yīng)性越強(qiáng)。

b=(B/2)cosα-csinα

(2)

式中，α為工作面煤層傾角，(°)；b為支架自重作用方向與支架底座下邊緣的水平距離，m。

因此選用高工作阻力的二柱掩護(hù)式支架支護(hù)，支架底座寬度初步確定為1750mm。

根據(jù)支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式(3)所示：

P=(6～8)×M×γ

(3)

式中，P為支架支護(hù)強(qiáng)度，t/m2；M為采高，取6.0m；γ為頂板巖石容重，2.5t/m3。

由此可知，支架額定工作阻力在9000～12000kN之間，則初撐力在6000～9350kN之間。故此，選用ZY12000/28/63D型掩護(hù)式液壓支架。

4.2 支架模擬設(shè)計(jì)

支架頂梁的整個(gè)受力80%作用在立柱后側(cè)。受深部、采高大，支架重心高的影響，為確保支架各部件在工作過程中受力，利用ANSYS對(duì)支架進(jìn)行滿載下三維數(shù)值計(jì)算分析，如圖5所示。頂梁上均勻分布?jí)毫Γ瑢㈨斄悍譃閮啥?，根?jù)頂梁承載頂板的比例(1∶4)，前、后端分別施加1.56MPa和6.24MPa，合力大小等于支架工作壓力12000kN；支座底面全部約束。

圖5

當(dāng)頂板壓力不斷增大，支架立柱達(dá)到額定載荷，安全閥開啟；調(diào)整后，立柱的支撐力就表現(xiàn)為頂板壓力的分力。當(dāng)支架所受合力的作用點(diǎn)偏出支架下部邊緣，將導(dǎo)致支架傾覆。

4.3 應(yīng)力與位移計(jì)算

通過支架進(jìn)三維數(shù)值計(jì)算，支架主要構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)特性分析，如圖6—圖9所示：

圖7 位移分布

圖8 移架時(shí)位移分布

圖9 頂梁等效應(yīng)力布

正常支護(hù)時(shí)，結(jié)合圖12支承壓力分析：工作面前上方應(yīng)力大，導(dǎo)致端頭位移移動(dòng)量最大(95.41mm)；位移沿著與端頭鏈接的頂梁依次減少，與液壓柱連接處有少量位移(10.6mm)。四連桿和底座處于穩(wěn)定狀態(tài)。

移架過程中除底座外，其余均產(chǎn)生位移。頂梁端頭處的位移量最大，為14.88mm；四連桿位移量少(1.653mm)?？傮w上呈現(xiàn)：由上到下依次減少，底座無位移。

頂梁一直處于支護(hù)狀態(tài)時(shí)，由圖14可知。上部均有受力，頂梁與下部連接處所受的力最大，能達(dá)到592.5MPa；距結(jié)合處的距離越遠(yuǎn)，力越小，最小達(dá)到22.15MPa。

連桿受力與圖13相似，連接上下構(gòu)件受力最大，中部最小。由于受力的方向不同，上部的受力內(nèi)側(cè)向上，最大137.8MPa；下部與上部相反(內(nèi)側(cè)向下)，最大受力為126.9MPa。

綜上所述：支架與煤墻接觸地方位移量大且構(gòu)件連接處受力大，但該支架具有穩(wěn)定性與可靠性，滿足實(shí)際工作需要，能夠達(dá)到安全生產(chǎn)。

5 效果驗(yàn)證

累計(jì)統(tǒng)計(jì)418工作面1個(gè)月(持續(xù)的推采245m)的支架工作阻力監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用PM-31電液控制系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測工作面推進(jìn)過程中支架的工況情況。工作面壓力分布、120#的初撐力、工作阻力，分別如圖11所示。

圖11 418工作面11月支架壓力分布

工作面整體壓力較大且具有分區(qū)現(xiàn)象，如圖10所示。高工作阻力主要集中在50#-165#之間，其中分區(qū)為55#-100#((2)區(qū))、110#-155#((1)區(qū))；1#50#、170#-175#壓力較小，基本保持在35MPa以下。

圖10 連桿的應(yīng)力分布

245m的持續(xù)推采中，工作面正常生產(chǎn)(無來壓)期間，支架總體的工作阻力有小幅度的起伏變化；當(dāng)支架位置繼續(xù)沿走向方向延伸時(shí)，工作阻力發(fā)生變化。工作面累計(jì)周期來壓7次，其中9～12d周期來壓時(shí)間較長，來壓壓力超過40MPa；(1)區(qū)比(2)區(qū)來壓的時(shí)效性較長，且壓力值較大并具有一定的持續(xù)性，且45MPa以上較為頻繁。

非周期來壓期間，支架壓力在30～35MPa、35～40MPa分別占有整體的46.17%、32.35%。支架的平均工作阻力為7500～8420kN，是額定工作阻力的62.5%～70.2%之間，支架有一定的富余量；周期來壓期間支架加權(quán)平均工作阻力為10550kN，是額定工作阻力的87.9%，其中最大工作阻力為11312.8kN，為額定工作阻力的94.2%，表明支架能夠適應(yīng)周期來壓期間的頂板壓力。

工作面120#初撐力及工作阻力連續(xù)監(jiān)測9200次。

120#支架初撐力平均值在500kN左右，最大值達(dá)到660kN；工作阻力最大值在11070kN，平均壓力在約9850kN，且多次出現(xiàn)應(yīng)力波峰變化。由此表明ZY12000/28/63D型掩護(hù)式液壓支架在支撐過程中有一定富余量，能滿足生產(chǎn)的需求。

6 結(jié) 論

1)大采高工作面群頂板的細(xì)砂巖隨采隨落；粉砂巖具有承載性，并為礦井提供來壓力源。各工作面采動(dòng)下的頂板塑性破壞、應(yīng)力釋放具有一定的獨(dú)立性。且更迭后覆巖塑性破壞高度達(dá)到約360m，并保持穩(wěn)定。

2)受工作面更迭影響，后續(xù)工作面中后部壓力大于其他位置。確定了四盤區(qū)選用高工作阻力的二柱掩護(hù)式支架支護(hù)，型號(hào)為ZY12000/28/63D。

3)支架的平均工作阻力是額定工作阻力的62.5%～70.2%之間；周期來壓期間支架平均工作阻力是額定工作阻力的87.9%，最大工作阻力，為額定工作阻力的94.2%，表明支架能夠適應(yīng)周期來壓期間的頂板壓力。能夠滿足生產(chǎn)的需求。