支架與煤壁穩(wěn)定性耦合關(guān)系數(shù)值模擬分析*

羅琦,朱川曲,李青鋒

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201)

現(xiàn)階段工作面回采時,液壓支架及煤壁穩(wěn)定性是礦井安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),壓架與煤壁片幫事件時有發(fā)生,嚴(yán)重制約了礦井安全高效的開采[1].張可斌[2]等通過支架-圍巖的調(diào)壓試驗曲線分析,結(jié)合數(shù)學(xué)力學(xué)建模運用于現(xiàn)場實際,確定了支架控制上覆巖層的合理定額工作阻力;馮偉[3]等通過對山西某礦8306回采工作面不同推進(jìn)速度時的圍巖應(yīng)力、支架工作阻力分布情況進(jìn)行探討,得出了工作面推進(jìn)速度與液壓支架動載系數(shù)之間的相互關(guān)系;劉建鋒[4]等以UDEC數(shù)值模擬分析支架圍巖相互關(guān)系，提出了液壓支架必須接頂且降架幅值不宜過大的結(jié)論;孔德中[5]等以現(xiàn)場實際建立力學(xué)模型,并認(rèn)為支架支護(hù)阻力及煤壁是共同分擔(dān)頂板壓力,兩者之間相輔相成;王國法[6-9]等在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上,對支架與圍巖的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性耦合關(guān)系進(jìn)行了探究,建立了剛度耦合理論及相關(guān)評價模型,并針對現(xiàn)場實際進(jìn)行分析論證,為此類綜采工作面提供了理論指導(dǎo)及技術(shù)支持;吳士良[10]等以“傳遞巖梁理論”為基礎(chǔ)計算分析了支架不同工作狀態(tài)的支護(hù)強(qiáng)度及活柱縮量的計算確定方法;尹希文[11]等以頂板周期來壓為循環(huán),結(jié)合現(xiàn)有理論基礎(chǔ),提出了液壓支架動態(tài)增阻函數(shù),并應(yīng)用于現(xiàn)場取得了一致的結(jié)果;其他學(xué)者[12-15]也進(jìn)行了許多相關(guān)研究.本文在已有研究成果基礎(chǔ)上,以山西潞寧煤業(yè)22116工作面為研究對象,利用數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測為手段對不同工況下支架與煤壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究,提出合理日推進(jìn)度及支架支護(hù)阻力,研究成果對該礦安全開采具有實際指導(dǎo)意義,更為類似礦山安全生產(chǎn)提供借鑒作用.

1 工程概述

潞寧煤業(yè)公司22116工作面位于侏羅系大同組上部的2#煤,根據(jù)礦山提供的資料可知,煤層上覆頂板大同組由下往上依次主要為2.6 m細(xì)粒砂巖(以長石為主)、3.0 m砂質(zhì)泥巖、5 m粉砂巖、2.6 m中粒砂巖、23.0 m細(xì)粒砂巖(以石英為主),總厚42 m,均屬于堅硬巖層,煤層綜合柱狀圖如圖1所示.由于22116工作面屬于孤島工作面,上覆未完全穩(wěn)定的頂板在開采擾動作用下產(chǎn)生較高的應(yīng)力,對工作面液壓支架是一個很大的考驗,若液壓支架工作阻力不足,極易造成壓架或者煤壁大面積片幫.目前22116工作面平均日推進(jìn)度處于8 m左右,推進(jìn)度較快,致使支架承受壓力較大,且煤壁發(fā)生片幫事件.因此,本文基于上述因素,對不同工況下支架與煤壁的穩(wěn)定性進(jìn)行研究.

圖1 22116煤巖層綜合柱狀圖

2 不同工況下支架與煤壁穩(wěn)定性數(shù)值分析研究

2.1 建立模型及監(jiān)測點布置

為更清楚了解不同工況下支架與煤壁的穩(wěn)定性,根據(jù)22116工作面搜集的資料創(chuàng)建UDEC計算模型.模型左右邊界及底部邊界設(shè)置速度為0,模型頂部施加垂直荷載進(jìn)行計算,模型寬度為200 m,高度為66.5 m.模型模擬22116工作面在不同工況下支架與煤壁的穩(wěn)定性,模擬煤壁高度3.5 m,在煤壁上設(shè)置14個監(jiān)測點以監(jiān)測煤壁位移情況;在支架上方設(shè)置1個監(jiān)測點,以監(jiān)測在不同日推進(jìn)度時支架上方壓力變化情況,模型及監(jiān)測點位置如圖2所示.模型計算參數(shù)設(shè)置如表1、表2所示.

圖2 模型及監(jiān)測點位置

表1 計算模型煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

表2 計算模型煤巖層節(jié)理力學(xué)參數(shù)

2.2 支架與煤壁穩(wěn)定性分析

2.2.1 模擬方案

模擬設(shè)置在不同工況條件下對支架與煤壁穩(wěn)定性進(jìn)行分析,模型設(shè)置每次開挖運行5 000步.為研究不同支護(hù)阻力條件下的煤壁變形情況,設(shè)定5種不同工況條件下進(jìn)行模擬,分別為無支護(hù)狀態(tài)、支護(hù)阻力為3 000 kN、支護(hù)阻力為3 500 kN、支護(hù)阻力為4 000 kN及支護(hù)阻力為4 500 kN,使模型開挖一定距離,監(jiān)控煤壁上監(jiān)測點的位移情況;為研究不同開挖進(jìn)尺條件下支架上方應(yīng)力及煤壁變形情況,設(shè)定3種不同工況條件下進(jìn)行模擬,分別為分步開挖6 m、分步開挖8 m、分步開挖10 m,使模型在一定支護(hù)阻力條件下開挖120 m(3種工況條件下模型均開挖相同距離,分步開挖6 m,則開挖20次;分步開挖8 m,則開挖15次;分步開挖10 m,則開挖12次,模擬以不同開挖次數(shù)代表不同開采天數(shù),分步開挖進(jìn)尺代表日推進(jìn)度),監(jiān)控不同工況下每次開挖后支架上方應(yīng)力情況及開挖至120 m時煤壁上監(jiān)測點的位移情況.

2.2.2 結(jié)果分析

不同支護(hù)阻力下煤壁位移情況如圖3所示.圖3監(jiān)測結(jié)果顯示:當(dāng)處于無支護(hù)狀態(tài)時,煤壁變形很大,最大位移在0.35～0.40 m之間,此時煤壁穩(wěn)定性很差,有極大可能發(fā)生片幫事件,對安全生產(chǎn)不利;當(dāng)支護(hù)阻力為3 000 kN時,煤壁變形較大,最大位移接近0.35 m,此時煤壁穩(wěn)定性較差,有可能發(fā)生片幫,對安全生產(chǎn)造成影響;當(dāng)支護(hù)阻力為3 500 kN時,煤壁最大位移0.32 m左右,此時煤壁穩(wěn)定性中等,但仍要時刻關(guān)注防止發(fā)生局部片幫事件;當(dāng)支護(hù)阻力為4 000 kN時,煤壁最大位移接近0.30 m,此時煤壁穩(wěn)定性較好,可以保證正常生產(chǎn);當(dāng)支護(hù)阻力為4 500 kN時,煤壁最大位移0.27 m左右,此時煤壁穩(wěn)定性好,完全符合安全生產(chǎn)需要.由上述模擬結(jié)果可知,隨著支護(hù)阻力的增加,煤壁變形逐漸減小,支護(hù)和煤壁變形體現(xiàn)出良好的同步性,且當(dāng)工作阻力為4 500 kN時煤壁變形較小,故建議工作面選取支護(hù)阻力為4 500 kN的液壓支架.

圖3 不同支護(hù)阻力煤壁位移情況

由上述模擬可知,液壓支架工作阻力為4 500 kN時對礦山安全生產(chǎn)具有良好的支護(hù)作用,故模擬分步開挖6，8，10 m這3種不同工況條件下支架上方應(yīng)力及煤壁變形情況時,選取支護(hù)阻力為4 500 kN這一條件下進(jìn)行模擬.不同分步開挖距離時支架上方應(yīng)力變化及煤壁變形情況分別如4和圖5所示.圖4、圖5監(jiān)測結(jié)果顯示:當(dāng)分步開挖6 m,模擬開挖11次(即代表煤層開采11 d)時,支架上方應(yīng)力達(dá)到最大值,此時開挖距離為66 m,說明頂板初次來壓距離為66 m左右,隨著繼續(xù)開挖,支架上方受力逐漸減小，并在繼續(xù)開挖5次(即代表煤層開采5 d)后,支架上方應(yīng)力達(dá)到峰值(23 MPa左右),此時模型開挖了30 m,說明頂板周期來壓范圍在30 m左右.當(dāng)開挖至120 m時,煤壁最大位移在0.3 m左右;當(dāng)分步開挖8 m,模擬開挖6次(即代表煤層開采6 d)時,支架上方應(yīng)力達(dá)到最大值(27 MPa左右),此時開挖距離為48 m,說明此時頂板初次來壓距離為48 m左右,隨著繼續(xù)開挖,支架上方受力逐漸減小，并在繼續(xù)開挖3次(即代表煤層開采3 d)后,支架上方應(yīng)力達(dá)到峰值(24 MPa左右),此時模型開挖了24 m,說明此時頂板周期來壓范圍在24 m左右.當(dāng)開挖至120 m時,煤壁最大位移在0.35 m左右;當(dāng)分步開挖10 m,模擬開挖4次(即代表煤層開采4 d)時,支架上方應(yīng)力達(dá)到最大值,此時開挖距離為40 m,說明此時頂板初次來壓距離為40 m左右,隨著繼續(xù)開挖,支架上方受力逐漸減小，并在繼續(xù)開挖3次(即代表煤層開采3 d)后,支架上方應(yīng)力達(dá)到峰值,此時模型開挖了30 m,說明此時頂板周期來壓范圍在30 m左右.當(dāng)開挖至120 m時,煤壁最大位移在0.38 m左右.由上述模擬結(jié)果分析可知:分步開挖6 m時,頂板初次來壓距離較長,分步開挖8，10 m時初次來壓距離相近,且分步開挖8，10 m時,液壓支架上方受力均比分步開挖6 m時高,說明分步開挖距離較長時,對上覆巖層擾動影響越明顯,頂板活動越劇烈,不利于工作面液壓支架的穩(wěn)定;當(dāng)分步開挖6 m時,煤壁位移比分步開挖8，10 m時都小,發(fā)生煤壁片幫的可能性更小,更利于礦山的安全生產(chǎn).因此,綜合上述模擬結(jié)論,建議工作面日推進(jìn)度處于6 m左右,為安全生產(chǎn)提供保障.

圖4 不同分步開挖距離時支架上方應(yīng)力變化情況

圖5 不同分步開挖距離時煤壁的變形情況

3 工程現(xiàn)場監(jiān)測

由上述模擬結(jié)果可知,工作面推進(jìn)度對液壓支架前方煤壁及其頂板穩(wěn)定性具有較大影響,為進(jìn)一步驗證模擬的準(zhǔn)確性,采用山東恒安電子科技有限公司生產(chǎn)的KJ616煤礦頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對22116工作面液壓支架前柱末阻力進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測分為2個時間段,每次監(jiān)測時間為18 d:第一監(jiān)測時間段為2019年5月20日—2019年6月6日;第二監(jiān)測時間段為2019年6月19日—2019年7月6日,監(jiān)測日期和日推進(jìn)度對應(yīng)關(guān)系如表3所示.

表3 監(jiān)測日期和日推進(jìn)度對應(yīng)關(guān)系

圖6為2個時段監(jiān)測結(jié)果,結(jié)合表3可以看出,2019-06-19—2019-07-06這一時間段工作面推進(jìn)度較慢,共推進(jìn)80 m左右,而2019-05-20—2019-06-06這一時間段工作面推進(jìn)度較快,共推進(jìn)120 m左右,推進(jìn)速度較快的時間段液壓支架末阻力值比推進(jìn)速度較慢的末阻力值普遍較高,說明推進(jìn)速度越快時,液壓支架承受上覆巖層壓力越大,越不利于液壓支架的穩(wěn)定性.而礦山目前選擇液壓支架型號為ZZ9000/23/48,單柱初撐力為1 939 kN,單柱工作阻力為2 250 kN,滿足安全生產(chǎn)需要.因此,為確保礦山正常安全生產(chǎn),工作面推進(jìn)速度不易過快,結(jié)合上述模擬結(jié)果分析,建議工作面日推進(jìn)度為6 m左右.

圖6 不同推進(jìn)度對液壓支架末阻力平均值的影響

由上述結(jié)論可知,模擬計算與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果一致,說明數(shù)值模擬計算是準(zhǔn)確的,同時也可以看出工作面日推進(jìn)度的快慢對液壓支架末阻力值影響較大,故在工作面回采期間應(yīng)避免過快推采,防止因推采速度過快而導(dǎo)致液壓支架工作阻力不足的壓架事件及煤壁片幫事件發(fā)生.

4 結(jié)論

1)同一支護(hù)條件下,當(dāng)回采速度越快時,液壓支架承受上覆巖層壓力越大;反之,回采速度越慢時,液壓支架承受上覆巖層壓力越小,兩者體現(xiàn)出很好的同步性;且回采速度對減小煤壁片幫有重要影響.

2)不同支護(hù)條件下,隨著液壓支架支護(hù)阻力的增加,煤壁變形逐漸減小,兩者之間呈現(xiàn)較好的反比關(guān)系.