復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層支架-圍巖關(guān)系研究

周 焱

(安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開(kāi)采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

煤礦開(kāi)采過(guò)程中，不同厚度夾矸層時(shí)常影響支架與圍巖的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)可造成支架-圍巖間的失穩(wěn)[1-2]。不同學(xué)者都進(jìn)行了大量研究，王國(guó)法等[3-4]研究了支架與圍巖的耦合關(guān)系，并通過(guò)研究頂板與支架載荷間的關(guān)系，將其分為液壓支架與圍巖的剛度、強(qiáng)度與穩(wěn)定性耦合；杜鋒等[5]采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，對(duì)薄基巖綜放采場(chǎng)支架-圍巖關(guān)系進(jìn)行了研究，得出了支架工作阻力在薄基巖綜放開(kāi)采中的計(jì)算方法；解盤(pán)石等[6]采用數(shù)值模擬和相似模擬相結(jié)合的方法，對(duì)煤矸互層頂板在不同夾矸層數(shù)中的失穩(wěn)規(guī)律進(jìn)行了分析，并提出重點(diǎn)防護(hù)傾斜工作面中部煤矸互層頂板；許永祥等[7]在液壓支架與圍巖相互作用的基礎(chǔ)上，分析了圍巖“大、小結(jié)構(gòu)”耦合對(duì)工作面圍巖支護(hù)效果的影響；萬(wàn)麗榮等[8]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)支架所受載荷進(jìn)行分析，得出支架的變化趨勢(shì)與載荷作用位置有關(guān)。綜上所述，現(xiàn)有的研究成果多基于簡(jiǎn)單煤層條件下對(duì)支架-圍巖關(guān)系進(jìn)行研究和分析，對(duì)較復(fù)雜煤層條件下支架-圍巖關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。

本文以淮北袁店一礦為研究背景，采用FLAC3D模擬了不同厚度夾矸層對(duì)支架的影響，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)支架的適應(yīng)性進(jìn)行分析，保證了礦井的安全生產(chǎn)。

1 工程概況

81煤厚2.50～3.42 m，平均厚2.96 m；82煤厚1.52～4.26 m，平均厚2.89 m，81煤與82煤之間含有夾矸，夾矸的厚度分布不均，平均厚度為3.20 m，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖。煤層傾角6～11°，平均傾角為9°?；卷敒槠骄穸?.89 m的泥巖，直接頂為平均厚度8.67 m的砂泥巖互層，直接底為平均厚度1.85 m的泥巖，基本底為平均厚度9.43 m的粉砂巖。液壓支架的型號(hào)為ZF9600-17.4/28，沿工作面傾向方向布置133架。

2 液壓支架數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

為了研究不同厚度夾矸對(duì)液壓支架所受載荷的影響以及圍巖的演化特征，采用FLAC3D對(duì)821工作面進(jìn)行模擬， 821工作面的數(shù)值計(jì)算模型如圖1(a)所示。模型尺寸為：走向×傾向×高度=300 m×200 m×140 m，走向和傾向方向各留40 m邊界煤柱，81煤與82煤間夾矸厚度分別為2 m、3 m、4 m，并通過(guò)Midas導(dǎo)入液壓支架模型，局部液壓支架模型如圖1(b)所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型圖

2.2 液壓支架應(yīng)力分析

工作面推進(jìn)過(guò)程中，支架在不同厚度夾矸情況下載荷變化趨勢(shì)不同，不同厚度夾矸液壓支架的應(yīng)力分布云圖如圖2所示，支架整體受力呈現(xiàn)非對(duì)稱性，整體受力呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，支架頂梁所受應(yīng)力在2 m、3 m、4 m 夾矸厚度時(shí)分別為15.6 MPa、11.2 MPa、7.5 MPa。由于支架受到非對(duì)稱載荷，支架立柱與頂梁和底座連接部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，支架立柱與底座在2 m、3 m、4 m夾矸厚度時(shí)應(yīng)力集中值分別為16.3MPa、13.4MPa、9.1MPa。由于受到傾角的影響，支架前立柱所受應(yīng)力大于后立柱所受應(yīng)力，夾矸厚度為2 m時(shí)，前、后立柱所受應(yīng)力值分別為35.1 MPa、34.2 MPa。夾矸厚度為3 m時(shí)，前、后立柱所受應(yīng)力值分別為31.8 MPa、28.2 MPa。夾矸厚度為4 m時(shí)，前、后立柱所受應(yīng)力分別為26.3 MPa、23.8 MPa。支架立柱與底座接觸部位為壓應(yīng)力，局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力。綜上所述可得，夾矸的厚度對(duì)液壓支架受力分布有明顯的影響，液壓支架整體所受載荷隨著夾矸厚度的增大而逐漸減小。

圖2 不同厚度夾矸液壓支架垂直應(yīng)力情況

2.3 圍巖變化特征

工作面走向方向圍巖分布特征如圖3所示，采空區(qū)頂?shù)装濉⒚罕谇胺椒謩e出現(xiàn)張拉破壞、剪切破壞，采空區(qū)頂板的破壞范圍比底板的破壞范圍大，上覆巖層與未采煤壁之間存在相互作用力，因此未采煤壁處表現(xiàn)為剪切破壞，支架上方的破壞高度在夾矸厚度為2 m、3 m、4 m時(shí)分別為27.3 m、23.8 m、18.6 m，呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，隨著夾矸厚度的增大頂板的破壞高度逐漸減小，支架下方有明顯的張拉破壞，容易造成液壓支架的失穩(wěn)。

圖3 工作面走向方向圍巖分布特征

3 工作面礦壓實(shí)測(cè)分析

為了更加精確地掌握工作面支架工作阻力的變化規(guī)律，回采期間重點(diǎn)監(jiān)測(cè)了靠近運(yùn)輸巷的15號(hào)支架、工作面中部的65號(hào)支架及靠近回風(fēng)巷的115號(hào)支架，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 支架工作阻力曲線圖

由圖4可知，礦壓顯現(xiàn)在工作面上具有分區(qū)的特征，支架工作阻力在中部區(qū)域比上部、下部區(qū)域大，初次來(lái)壓時(shí)的步距為30 m，工作面中部的來(lái)壓步距為14～16 m，上部、下部的來(lái)壓步距為18～20 m。

工作面15號(hào)支架、65號(hào)支架、115號(hào)支架工作阻力主要出現(xiàn)在5 200～5 800 kN、5 700～6 300 kN、5 400～6 000 kN,平均工作阻力分別為5 490 kN、6 176.3 kN、5 713 kN;位于工作面中部的頂板活動(dòng)比較活躍，斷裂的上覆巖層受到兩側(cè)巖塊的作用力較小，來(lái)壓強(qiáng)度在工作面中部時(shí)較大，支架載荷整體呈現(xiàn)出中部區(qū)域大于上部和下部區(qū)域的特征。

支架在工作面推進(jìn)過(guò)程中最大工作阻力為8 120 kN，支架仍有15.4%的富余量，支架具有良好的穩(wěn)定性，能夠滿足821工作面的支護(hù)要求，保證工作面的安全回采。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)數(shù)值模擬分析得出，液壓支架所受最大主應(yīng)力在夾矸厚度為2 m、3 m、4 m時(shí)分別為35.1 MPa、31.8 MPa、26.3 MPa，可得支架所受載荷隨著夾矸厚度的增大而逐漸減小，同時(shí)液壓支架立柱與頂梁和底座的連接部位有應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)。

2) 由圍巖變化特征分析得出，支架上方頂板的破壞高度在夾矸厚度為2 m、3 m、4 m時(shí)分別為27.3 m、23.8 m、18.6 m，頂板的破壞高度隨著夾矸厚度的增大逐漸減小。

3) 支架在工作面推進(jìn)過(guò)程中最大工作阻力為8 120 kN，支架仍有15.4%的富余量，支架具有良好的穩(wěn)定性，能夠滿足821綜放工作面的支護(hù)要求。