厚煤層綜放開(kāi)采礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律及液壓支架選型研究

許姣

(晉能控股裝備制造集團(tuán) 智能制造事業(yè)部， 山西 晉城 048000)

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械化開(kāi)采方式已經(jīng)成為煤礦開(kāi)采的主流，其中針對(duì)特厚煤層，常采用綜放開(kāi)采的方式進(jìn)行煤層開(kāi)采，經(jīng)濟(jì)效果顯著[1-3]。但伴隨著厚煤層的開(kāi)采，常導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)異常，誘發(fā)冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生，嚴(yán)重影響了煤礦的安全高效開(kāi)采。因此，分析厚煤層綜放開(kāi)采條件下礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，選擇合適的液壓支架，并進(jìn)行支架選型適應(yīng)性分析，具有較大的研究意義[4-5]。

本文針對(duì)某礦8202工作面開(kāi)采時(shí)礦壓顯現(xiàn)異常的情況，建立數(shù)值計(jì)算模型，并通過(guò)理論分析的方式研究不同開(kāi)采距離時(shí)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)行液壓支架的選型與適應(yīng)性研究。

1 綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

某礦8202工作面埋深239～315 m，煤層平均厚度大小為7.1 m，在進(jìn)行開(kāi)采方案設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)采煤高度為3.4 m，放煤高度為3.7 m。設(shè)計(jì)工作面開(kāi)采寬度為210 m，工作面推進(jìn)方向長(zhǎng)度為1 255 m。煤層上方老頂為中粒砂巖，直接頂為細(xì)砂巖，直接底為粉砂巖，老底為中粒砂巖。煤層所處地質(zhì)環(huán)境十分簡(jiǎn)單，區(qū)域內(nèi)受斷層等地質(zhì)構(gòu)造影響較小。使用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以8202工作面所處地質(zhì)環(huán)境為背景，并作一般化處理，建立數(shù)值計(jì)算模型，如圖1所示。煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

為研究工作面推進(jìn)至不同位置時(shí)采場(chǎng)應(yīng)力變化規(guī)律及塑性區(qū)變化特征，分析厚煤層綜放開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，建立數(shù)值計(jì)算模型，分析工作面推進(jìn)距離為100 m、160 m、220 m時(shí)，工作面超前支承壓力變化規(guī)律及頂?shù)装逅苄詤^(qū)變化特征。

圖2為工作面推進(jìn)距離分別為100 m、160 m、220 m時(shí)，超前支承壓力的變化規(guī)律。由圖2可得，當(dāng)工作面推進(jìn)100 m時(shí)，超前支承壓力峰值為26.1 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)160 m時(shí)，超前支承壓力峰值為31.6 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)220 m時(shí)，超前支承壓力峰值為34.7 MPa。隨著工作面的推進(jìn)，應(yīng)力集中程度逐漸增大，礦壓顯現(xiàn)明顯。

(a) 推進(jìn)100 m

(b) 推進(jìn)160 m

(c) 推進(jìn)220 m

隨著工作面的開(kāi)采，工作面上方“三帶”形成，底板逐漸出現(xiàn)塑性破壞，如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)工作面推進(jìn)100 m時(shí)，頂板出現(xiàn)拉剪破壞，底板塑性區(qū)范圍較??；當(dāng)工作面推進(jìn)160 m時(shí)，頂板拉剪破壞范圍進(jìn)一步增大，底板塑性區(qū)范圍也出現(xiàn)增大趨勢(shì)；當(dāng)工作面推進(jìn)220 m時(shí)，覆巖運(yùn)動(dòng)，頂板產(chǎn)生較大塑性區(qū)，底板塑性區(qū)范圍、深度逐漸增大，直接頂與基本頂已經(jīng)產(chǎn)生較大離層，礦壓顯現(xiàn)明顯。

(a) 推進(jìn)100 m

(b) 推進(jìn)160 m

(c) 推進(jìn)220 m

2 液壓支架選型分析

針對(duì)厚煤層開(kāi)采，液壓支架的選擇十分關(guān)鍵，合理的液壓支架型號(hào)決定了煤炭是否能夠安全高效地生產(chǎn)。經(jīng)分析表明，以下因素是液壓支架選型的關(guān)鍵：

1) 支架的工作阻力與初撐力需要符合設(shè)計(jì)要求，符合礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，保證安全開(kāi)采。

2) 支架的支護(hù)高度需符合安全開(kāi)采要求，其最大支護(hù)高度需大于待開(kāi)采煤層厚度。

3) 考慮到支架下方底板的巖性，其抗壓能力需符合要求。

4) 針對(duì)暴露頂板，支架需要起到良好的保護(hù)作用，故支架的支護(hù)特點(diǎn)、完整性需符合要求。

5) 支架需保證煤炭的安全高效開(kāi)采。

8202工作面為厚煤層開(kāi)采，采用綜合放頂煤方式進(jìn)行煤炭開(kāi)采，故在液壓支架選型時(shí)選擇四柱支承掩護(hù)式液壓支架。本文選擇ZFY18000/25/39D液壓支架，支撐高度為2.5 m～3.9 m，支護(hù)強(qiáng)度為1.5 MPa，工作阻力為18 000 kN，下面分別從支撐高度、支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力三個(gè)方面對(duì)支架選型進(jìn)行驗(yàn)算。

2.1 支撐高度

在進(jìn)行支承高度分析時(shí)，需要考慮煤層厚度大小，保證所有煤層能夠安全開(kāi)采，其中液壓支架高度需要滿足以下要求：

Hmax≥hmax+0.2

(1)

Hmin≤hmin+0.2

(2)

式中:Hmax、Hmin分別為支架需要滿足的最大、最小支護(hù)高度，hmax、hmin分別為煤層的最大、最小厚度。由于本文為厚煤層，開(kāi)采厚度為3.4 m，故支架需要滿足支護(hù)高度大于3.6 m，本文選擇的液壓支架符合要求。

2.2 支護(hù)強(qiáng)度

支架的支護(hù)強(qiáng)度Q需要滿足以下條件：

(3)

(4)

式中：h為煤層開(kāi)采高度，經(jīng)分析可知，開(kāi)采高度為3.4 m；γ為容重，取2.7 t/m3；k為工作面開(kāi)采后頂板的動(dòng)載系數(shù)，取1.3；N為計(jì)算時(shí)考慮的附加阻尼系數(shù)，取1.2；d為頂板巖石的碎脹性系數(shù)，取1.25；α為煤層的傾角大小，取6°；n為工作面開(kāi)采時(shí)考慮的不均衡安全系數(shù)，取1.75。

可以得出Q1與Q2的大小分別為0.56 MPa、0.63 MPa。本文選擇的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度數(shù)值為1.5 MPa，故所選型號(hào)符合要求。

2.3 工作阻力

Fs=Ps·A·Bc/Ks

(5)

式中：Fs為支架的工作阻力大小，kN；Ps為額定支護(hù)強(qiáng)度；A為中心距大小，取2.15 m；Bc為支架的最大控頂距大小，取4.5；針對(duì)本文液壓支架類(lèi)型，Ks取0.9。

將數(shù)據(jù)帶入式(5)可得，F(xiàn)=11 945 kN<18 000 kN，符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)以上分析可以得出，本文所選的ZFY18000/25/39D液壓支架從支撐高度、支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力等方面都符合設(shè)計(jì)要求。

3 應(yīng)用效果分析

ZFY18000/25/39D液壓支架已經(jīng)在8202綜放開(kāi)采工作面現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，并取得了良好的效果。隨著回采工作面的不斷推進(jìn)，液壓支架所記錄的工作阻力曲線如圖4所示。從圖4中可以看出：隨著工作面的開(kāi)采，支架工作阻力大致保持穩(wěn)定，在20.0 MPa～35.0 MPa之間波動(dòng)，受來(lái)壓影響出現(xiàn)多次阻力增大顯現(xiàn)，最大應(yīng)力為41.3 MPa。支架工作期間運(yùn)行安全平穩(wěn)，并未出現(xiàn)意外故障。因此，結(jié)合理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，表明本文選用液壓支架符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。

圖4 支架工作阻力曲線

4 結(jié)論

1) 工作面開(kāi)采后，頂板首先出現(xiàn)塑性區(qū)，隨著工作面推進(jìn)距離增大，底板受最大水平應(yīng)力的影響發(fā)生塑性破壞。

2) 根據(jù)8202工作面的開(kāi)采條件，選擇了ZFY18000/25/39D液壓支架，并使用理論分析的方式分析了支架的支撐高度、支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了方案的可行性。