近距離煤層下位放頂煤工作面支架阻力的確定

魏昌彪

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司，山西 太原 030024）

引言

相較于單一煤層開采，近距離煤層群開采有自己的特殊性，在完成上部煤層開采后，工作面的圍巖應(yīng)力重新分布，頂板巖層發(fā)生破斷、下沉、垮落等現(xiàn)象，這必會對下位煤層應(yīng)力分布情況造成一定的影響，所以使得下煤層開采的礦壓顯現(xiàn)與上煤層有較大差異。對于極近距離煤層來說，由于煤層間距離較近，間隔層厚度及巖性對工作面關(guān)鍵層影響較大，下煤層開采時層間結(jié)構(gòu)難以形成穩(wěn)定的關(guān)鍵層，故與單一煤層相比近距離煤層的來壓情況更加明顯。但目前的研究內(nèi)容主要集中于下部煤層回采巷道布置及支護(hù)方式，對于近距離煤層開采過程中和回采過程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及煤層群下位工作面上覆巖層運(yùn)動破斷特征的研究相對較少。

因此本文以某礦5302 近距離煤層下位放頂煤開采工作面為背景，建立了極近距離煤層層間無基本頂支架阻力計(jì)算模型，并利用數(shù)值模擬方法模擬了上位4 號煤層開采后在5 號煤開采過程中支架的受力情況，最終確定了近距離煤層下位放頂煤工作面合理的支架阻力，為類似條件下的放頂煤開采提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某礦5302 工作面作為5 號煤層的綜放工作面，其工作面標(biāo)高為+567～+618 m。5302 工作面與4號煤4302 采空區(qū)成內(nèi)錯布置；5 號煤層與4 號煤層距離為0.7～1.3 m，煤層距離平均值為1.05 m；5 號煤層的平均厚度為4.2 m，煤層傾角為2°～8°。各煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)

2 支架阻力理論計(jì)算

上下煤層間的巖層厚度較薄，且強(qiáng)度較小，很難形成基本頂結(jié)構(gòu)，上部煤層頂板隨著下部煤層的推進(jìn)發(fā)生垮落，很難形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)。所以對于這種層間無穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的覆巖結(jié)構(gòu)，層間無基本頂結(jié)構(gòu)支架阻力計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 層間無基本頂結(jié)構(gòu)時支架阻力計(jì)算模型

此時，支架阻力由液壓支架控頂范圍內(nèi)直接頂巖層的重力Qz和直接頂上方采空區(qū)內(nèi)垮落巖層的重力Qs兩部分組成，加之考慮上層煤“砌體梁”結(jié)構(gòu)再次失的穩(wěn)影響系數(shù)k，支架工作阻力可由以下公式計(jì)算：

式中：B 為支架寬度，取1.5 m；lk為下層煤控頂距，取6 m；hz為下層煤直接頂厚度，取25.99 m；hs為上層煤垮落帶厚度，取15.8 m；M 為上層煤厚度，取1.9 m；Kp為巖層碎脹系數(shù)，一般在1.05～1.3 之間，取1.12；γ 為巖石容重，取1.05 kN/m3。將數(shù)值代入公式計(jì)算得液壓支架控頂距直接頂巖層重量Qz=246kN。

上層垮落帶厚度為：hs=1.9/（1.12-1）=15.8 m。

直接頂上方采空區(qū)垮落巖層的重量為Qs=1.5×6×15.8×1.05=156.3 kN。

液壓支架工作阻力為P=246+156.3=402.3 kN，考慮動壓系數(shù)k=1.2（4108 工作面基本頂“砌體梁”結(jié)構(gòu)再次失穩(wěn)引起），支護(hù)效率0.9，則P=402.3×1.2/0.9=536 kN。

3 支架阻力數(shù)值模擬研究

本次采用美國Itasca 公司開發(fā)的仿真計(jì)算軟件FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions）進(jìn)行分析。

根據(jù)表1 物理力學(xué)參數(shù)建立尺寸長×寬×高為200 m×1.5 m×80.5 m 的單位架寬模型，假定各地層水平，厚度均勻，巖層內(nèi)部各向同性，采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型對煤巖體進(jìn)行分析計(jì)算，采用線彈性本構(gòu)模型對液壓支架進(jìn)行分析計(jì)算，重力參考值g=-9.81 m/s2，建立上部利用應(yīng)力邊界模擬覆巖層載荷，側(cè)面限制水平位移，底部固支的模型邊界條件。此時進(jìn)行一次平衡計(jì)算以模擬開挖前工作面的初始狀態(tài)。利用Extrusion 模塊輸入液壓支架關(guān)鍵點(diǎn)位并連接，劃分網(wǎng)格后生成液壓支架，將其網(wǎng)格導(dǎo)入至模型開切眼內(nèi)進(jìn)行組合。建立的地層模型如圖2 所示，液壓支架模型如圖3 所示。

圖2 地層模型

圖3 液壓支架模型

為分析5 號煤層圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)演化規(guī)律，并對其液壓支架受力進(jìn)行分析，首先進(jìn)行4 號煤層開挖分析，以生成5 號煤開采前的圍巖初始狀態(tài)，在4 號煤層開采后的模型中繼續(xù)開挖5 號煤層，并用Fish 語言控制割煤，放煤與移架，所得液壓支架受力狀態(tài)如圖4 所示。

圖4 液壓支架應(yīng)力（Pa）云圖

由圖4 可以看出，在5 號煤層開采過程中，在初采部位液壓支架的立柱液壓值較低，液壓支架立柱液壓最大值為30.7 MPa（四柱液壓均值，對應(yīng)工作阻力5 101 kN），對比上文分析的理論值5 068 kN 較為一致。

4 工程應(yīng)用

某礦5302 綜放試驗(yàn)工作面沿走向的長度為750 m，沿傾向的長度為148 m，一共安裝液壓支架100 架，分別為中部液壓支架型號為ZF5600/17.5/28，共94 架，初撐力為5 236 kN，工作阻力為5 600 kN；過渡支架型號ZYG6000/19/30，共6 架。為了得出工作面中部支架推進(jìn)40 m 的監(jiān)測結(jié)果，用KJ653 綜采支架阻力監(jiān)測儀對支架工作阻力進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果見下頁圖5。

圖5 工作面中部支架立柱液壓信息特征

由于采場中部頂板側(cè)向限制較弱，5302 工作面中部液壓支架工作阻力較工作面兩端大，安全閥未頻繁開啟，表明支架選型合理；同時從現(xiàn)場觀測可知，工作面未出現(xiàn)明顯的端面冒漏和煤壁片幫現(xiàn)象，再次證明了所選支架的合理性。

5 結(jié)論

1）建立了極近距離煤層層間無基本頂支架阻力計(jì)算模型，確定在此種情況下支架受力來自液壓支架控頂?shù)闹苯禹斨亓z，和上部采空區(qū)垮落巖層的重力Qs考慮上層煤“砌體梁”結(jié)構(gòu)再次失的穩(wěn)影響系數(shù)k，經(jīng)計(jì)算合理支架阻力為5 068 kN。

2）經(jīng)數(shù)值模擬分析在5 號煤開采過程中在初采部位液壓支架的立柱液壓值較低，液壓支架立柱液壓最大值為30.7 MPa（四柱液壓均值，對應(yīng)工作阻力5 101 kN）。

3）實(shí)踐表明5302 工作面中部液壓支架工作阻力較大，驗(yàn)證了某礦5 號煤層選用支架的合理性，為類似條件下的放頂煤開采和礦壓控制提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。