綜放工作面支架與圍巖耦合關系及端面頂板穩(wěn)定性研究

宋高峰，昝明惠，孔德中，魏 臻，任志成，張 帥

(1.北方工業(yè)大學 土木工程學院，北京 100144；2.貴州大學 礦業(yè)學院，貴陽 550025；3.清華大學 工程物理系，北京 100084；4.國家能源投資集團有限責任公司，北京 100011；5.北京交通大學 建筑與藝術學院，北京 100044)

我國每年大約有1/6的綜采工作面因支架與圍巖關系不適應導致端面冒頂而處于低產(chǎn)狀態(tài)[1]。相比于綜采工作面，綜放工作面的端面頂煤強度較差，端面頂煤冒落事故更加頻繁，這也是制約綜采(放)工作面安全高效生產(chǎn)的主要因素[2，3]。支架-圍巖關系是影響端面冒頂?shù)闹匾蛩兀S持良好的支架-圍巖關系有利于控制端面冒頂災害[4]。

支架與圍巖相互作用、相互影響的有機整體，圍巖的運動狀態(tài)會影響支架工況和承載特性，支架工作狀況又會反過來影響到對頂板的支護效果[5，6]。綜采工作面支架-圍巖耦合關系對工作面支架選型和端面頂板穩(wěn)定性也具有重大的影響[7，8]。因此，及時掌握支架的工作狀態(tài)，調整和保持良好的支架-圍巖關系，對于防治端面冒頂具有重要的意義[9]。前人研究了綜放開采端面冒頂機理，分析了綜放工作面的頂板變形特征和端面冒頂全過程，獲得了不同影響因素下端面冒頂程度及其分布規(guī)律，對綜放開采端面冒頂控制具有重要參考價值[10-12]。李強[13-15]對重復采動下采場頂板運動及端面頂板冒漏機理進行了研究，為重復開采下端面頂板穩(wěn)定性及冒漏防控提供了依據(jù)；王國法[16]對綜采工作面支架-圍巖的“能量積聚-耗散-釋放-傳遞-響應”過程進行了分析，得到了基于能量原理的工作面支架阻力計算方法；樊祥喜[17]以汾西南關礦3206回采巷道作為背景，采用相似模擬試驗的方法，研究了鋼管混凝土支架與圍巖相互作用關系；魏臻[18]、楊俊哲[19，20]等應用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測等方法，對采場工作面支架-圍巖作用關系進行了研究，監(jiān)測了煤層開采過程中頂板下沉量、支架受力及穩(wěn)定性。文章采用了數(shù)值模擬和相似模擬試驗相結合的研究方法，研究綜放工作面支架位態(tài)、端面距、割煤高度等對端面頂板穩(wěn)定性和支架圍巖耦合關系的影響。

1 綜放開采支架-圍巖相互作用關系數(shù)值模擬

1.1 模型建立

潞安高河礦E1315放頂煤工作面煤層平均厚度為6.5 m，煤層傾角為1°～7°，平均埋深為450 m，工作面采高為3.5 m，放煤高度為3 m，開采步距為0.8 m，采放單循環(huán)作業(yè)?，F(xiàn)場采用ZF8500/22/42型的四柱支撐掩護式液壓支架。

OptumG2數(shù)值軟件集有限元分析和極限分析于一體，模型采用摩爾-庫倫本構關系，運用極限分析的方式進行計算。計算過程中依次迭代模型破壞重力乘數(shù)直到模型失穩(wěn)，對比不同影響因素下模型破壞時的安全系數(shù)R(OptumG2計算結束時的重力乘數(shù)即為安全系數(shù))，快速分析和評價模擬對象的穩(wěn)定性。文章圍繞采場支架-圍巖關系及端面頂板穩(wěn)定性開展數(shù)值模擬，重點關注端面頂煤無支護區(qū)頂板變形及支架響應情況，對支架俯仰角、端面距和機采割煤高度等3個因素進行數(shù)值模擬，分析支架阻力及支架上方頂煤、端面頂煤的位移，同時對比支架前后柱的阻力比值Fs，以校核支架的支護性能，確定3個影響因素對支架-圍巖關系及端面頂板穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

建好的數(shù)值計算模型如圖1所示：模型以x軸正向為工作面推進方向，沿x軸方向建立10 m采空區(qū)，工作面煤壁右側為20 m的實體煤，煤巖體的各項物理力學參數(shù)見表1。模擬支架結構頂梁長度3.5 m，鉸接前頂梁長度1.5 m，控頂長度5 m，根據(jù)現(xiàn)場支架工況施加預應力模擬支架初撐力，支架后柱垂直布置，前柱前傾角為85°，并隨頂梁位態(tài)調整進行變化。

圖1 數(shù)值計算模型

模型測線布置如圖2所示，包括支架上方頂煤和端面頂板兩部分。支架上方頂煤監(jiān)測區(qū)水平布置2條相互平行的測線，分別監(jiān)測上位和下位頂煤的位移規(guī)律，測點間距為1 m，從左至右依次布置測點并標號，2條測線豎直方向對應位置測點序號相同，便于后期分析。工作面端面頂板監(jiān)測區(qū)豎直布置相互平行的測線，測線間距為0.5 m，測點由下至上依次排序，并根據(jù)端面距的調整增加或減少測線數(shù)量。進行支架俯仰角影響因素模擬時，對受影響測點進行適當取舍，保證其空間對應關系。

圖2 測線布置

1.2 模擬結果及影響因素分析

1.2.1 支架俯仰角

建立了支架頂梁為俯角7°、俯角3°、水平0°、仰角3°、仰角7°等5個模型。支架俯仰角影響下的頂煤位移如圖3所示。支架頂梁垂直位移整體呈中間小兩端大，頂梁上方煤體在支架支撐作用下總體呈現(xiàn)拱形壓實穩(wěn)定特征；俯角7°支撐時頂梁前端下位頂煤垂直位移最大達到110 mm。水平位移表現(xiàn)為后端頂煤向采空區(qū)方向運動，前端頂煤向端面頂板方向運動；頂梁水平0°時，由于頂煤不受俯仰角產(chǎn)生的位移限制，在頂梁全長范圍均表現(xiàn)較大的水平位移。

圖3 支架俯仰角影響下頂煤位移

支架俯仰角影響下的端面頂煤位移規(guī)律如圖4所示。從垂直位移來看，頂板上方2 m高度范圍內(nèi)垂直位移變化較大，俯角7°支撐時端面頂板整體下沉量最大，對頂板穩(wěn)定性不利。從水平位移來看，頂板上方2 m范圍內(nèi)頂煤水平位移變化較大，同時仰角支撐時水平位移較明顯，水平0°和俯角3°支撐端面頂板水平位移較小。

圖4 支架俯仰角影響下端面頂板位移

模型支架前、后柱工作阻力及其比值Fs、模型破壞安全系數(shù)R等參數(shù)見表2。不難看出，支架前柱工作阻力明顯較大，前后柱工作阻力比值Fs均在2.6以上，F(xiàn)s越大，則支架偏載程度也越大，因此支架前后柱按偏載嚴重程度排序為：仰角7°>仰角3°>俯角7°>俯角3°>水平0°。綜合來看，俯角3°時更能發(fā)揮液壓支架的整體支撐性能，模型的安全系數(shù)最大，端面頂板穩(wěn)定性更好。

表2 支架俯仰角影響下支架支護性能和模型安全系數(shù)

1.2.2 端面距

端面距為0.5、1.0、1.5 m三種情況下支架上方頂煤的位移規(guī)律如圖5所示。垂直位移均呈現(xiàn)中間小兩端大的特征，而水平位移由支架前梁端向采空區(qū)方向逐漸增大；端面距為1.5 m時，支架上方頂煤的垂直位移和水平位移均明顯大于其他兩種情況，此時端面頂板穩(wěn)定性最差。因此，端面距與端面頂板穩(wěn)定性呈反比例關系。

圖5 端面距影響下頂煤位移

端面距為0.5、1.0、1.5 m三種情況下的端面頂煤位移規(guī)律如圖6所示。由圖6可知，端面距越大，頂煤位移也越大，當端面距為1.5 m時，垂直位移和水平位移均明顯大于其他兩種情況。從端面頂板穩(wěn)定性來說，端面距為0.5 m時，端面頂煤位移最小，穩(wěn)定性更好。

圖6 端面距影響下端面頂板位移

端面距對支架偏載及模型穩(wěn)定性的影響見表3。隨著端面距的增加，前后柱阻力比值Fs逐漸增大，偏載越來越嚴重；安全系數(shù)R隨著端面距增加而減小，模型穩(wěn)定性越差。綜上，端面距越大，端面頂板穩(wěn)定性越差，當端面距為0.5 m時，模型穩(wěn)定性最好。

4.利用信息技術，提高教師自身素質。要熟練的的運用多媒體技術，對教師本身也是一個挑戰(zhàn)，因為多媒體信息技術的運用需要我們熟練地掌握電腦知識。我們應該在平時的工作中不斷的學習、積累。并且將運用現(xiàn)代信息技術的能力作為提升自身業(yè)務素質的一項重要內(nèi)容。在掌握計算機基本操作技能的同時,還要掌握多媒體課件的制作,以便作出適合英語學科特點的課件。

表3 端面距影響下支架支護性能和模型安全系數(shù)

1.2.3 機采高度

機采高度(3、4、5 m)對支架上方頂煤的影響規(guī)律如圖7所示。三種割煤高度下頂煤垂直位移均呈現(xiàn)中間小兩端大的特征，頂煤水平位移均表現(xiàn)為由支架前梁區(qū)向采空區(qū)逐漸增大的規(guī)律。整體而言，頂煤位移隨割煤高度的增加而增大。其中，割煤高度為5 m時，頂煤的水平位移明顯大于其他兩種情況；當割煤高度為3 m時，支架上方頂煤的垂直位移小于其他兩種情況。

圖7 機采高度影響下頂煤位移

機采高度影響下端面頂板位移如圖8所示。整體而言，當割煤高度為3 m時，端面頂板區(qū)頂煤垂直位移量和水平位移量均相對較小，端面頂板穩(wěn)定性比其他兩種情況更好；隨著割煤高度的增加，端面頂煤位移量隨之增大，頂板穩(wěn)定性進一步降低；當割煤高度增大為5 m時，端面頂煤的最大垂直和水平位移分別到達了515 mm、325 mm。因此，在一定范圍內(nèi)，機采高度與端面頂板穩(wěn)定性呈負相關。

圖8 機采高度影響下端面頂板位移

割煤高度對支架偏載及模型穩(wěn)定性的影響見表4。從模型穩(wěn)定性來看，割煤高度與安全系數(shù)R成反比，當機采高度為3 m時，模型的安全系數(shù)R最大，模型穩(wěn)定性最好。另一方面，支架前后柱阻力比值Fs隨割煤高度的增加而不斷增大，支架頂梁前端荷載也隨之增大，導致支架偏載逐漸嚴重，當機采高度為5 m時，支架整體工作阻力和偏載情況均最大。

表4 機采割煤高度影響下支護性能和模型安全系數(shù)

2 綜放開采端面冒頂相似模擬試驗

2.1 物理模型建立

采用相似模擬試驗研究綜放工作面液壓支架未支護區(qū)端面頂板失穩(wěn)機制及支架-圍巖耦合關系。在模型開采過程中，采用XTDIC非接觸式光學三維全場變形測量及分析系統(tǒng)記錄覆巖及端面頂板的位移與應變演化規(guī)律，同時觀測頂板垮落特征、圍巖移動規(guī)律等。試驗模型尺寸為：長×高×寬=180 m×120 m×16 cm，相似比為1∶16，模型中模擬煤層厚度為39 cm，其中采煤高度為21 cm，放煤高度為18 cm，直接頂和基本頂厚度分別為20 cm和45 cm，覆巖重量通過等效荷載的方法施加在模型上方。本模型從左至右開采，模型兩端各留25 cm煤柱，開挖步距為5 cm。根據(jù)模型尺寸設計了小型液壓支架，模擬現(xiàn)場的對頂煤的支護作用，液壓支架設計如圖9所示。

圖9 模型支架設計方案

2.2 相似模擬試驗結果分析

2.2.1 頂板垮落特征及圍巖移動規(guī)律

1)在正?；夭呻A段，液壓支架在開切眼位置首次升架支撐頂板(圖10)，隨著工作面的推進，端面頂板穩(wěn)定，支架后方頂煤裂隙發(fā)育，并逐漸垮落。此時，液壓支架正常工作，端面頂板穩(wěn)定，采場圍巖無異常。

圖10 頂煤垮落及端面頂板冒落演化特征

2)在頂板條件惡化階段，隨著工作面的推進，支架后方頂煤進一步垮落，支架頂梁不斷擠壓上方頂煤，形成大量裂隙，支架上方縱橫裂隙不斷發(fā)育擴展，頂梁后部頂煤向采空區(qū)方向回轉冒落，端面頂板暴露面積增加，空頂區(qū)域頂煤裂隙增加，端面冒頂事故的概率增大。

3)隨著工作面繼續(xù)推進，端面頂煤裂隙進一步增加由于頂煤破碎越來越嚴重，頂梁與頂煤接觸不實，支架的支護效果降低。隨著端面頂板暴露面積的增大，端面頂板發(fā)生剪切破壞，特別是在卸載移架過程中，端面頂板失穩(wěn)冒落，冒落空間形態(tài)為不對稱的拱形，冒頂高度先增大后穩(wěn)定。

2.2.2 采場頂板結構運動對端面冒頂?shù)挠绊?/p>

通過頂板結構破斷形態(tài)對端面冒頂具有一定的影響，懸臂梁頂板破斷失穩(wěn)影響下的端面冒頂過程如圖11所示，開采過程中，支架后方頂板裸露并形成穩(wěn)定的懸臂梁結構，端面頂板也保持較好的穩(wěn)定性；工作面推進后，支架上方頂板產(chǎn)生一條明顯的縱向大裂縫，懸臂梁結構回轉導致支架后端受力增大，支架頂梁略微抬頭；支架前移后，對回轉的懸臂梁巖塊支撐作用降低，縱向裂縫進一步擴展，支架后方頂板大面積垮落，支架前方端面頂煤開始破碎；隨后懸臂梁發(fā)生回轉失穩(wěn)，破碎的頂煤導致支架與頂煤接頂不實，頂梁略微低頭，支架有效支撐力降低，端面頂板發(fā)生冒落事故。

圖11 懸臂梁結構下端面冒頂過程

2.2.3 基于DIC的綜放開采端面頂板穩(wěn)定性分析

1)端面頂板位移演化。不同階段下端面頂板位移演化情況如圖12所示。由圖12可知，在正常開采階段，頂板位移變化主要集中在支架后方頂煤，由于支架升架擠壓上方頂煤，導致頂煤也發(fā)生較大變形；隨著工作面推進，支架后方頂板開始垮落并填充采空區(qū)，支架前方的弱支護區(qū)位移也在逐漸增加，端面頂板開始發(fā)生變形；隨著支架后方的頂煤及頂板的大面積垮落，支架上方頂板也發(fā)生一定的位移變化，此時支架前方弱支護區(qū)位移變化較大，即端面頂板發(fā)生冒頂現(xiàn)象。

圖12 不同階段端面頂板位移演化

2)端面頂板應變演化。不同階段下端面頂板應變演化規(guī)律如圖13所示。在正常開采階段，應變主要集中在支架上方頂板；隨著工作面不斷向前推進，頂板情況惡化，支架上方頂板的應變集中區(qū)域逐漸增大；在端面冒頂階段，支架后方懸臂梁結構發(fā)生大面積垮落，導致支架有效支護性能降低，對端面無支護區(qū)頂板的控制作用減弱，端面頂煤應變增加，并發(fā)生冒頂事故。

圖13 不同階段下端面頂板應變演化

3 結 論

1)當支架頂梁俯角為3°時，頂梁上方頂煤變形量相對均勻；當頂梁水平或俯角3°支撐時，端面頂煤水平位移較小、支架前后柱偏載最小、模型安全系數(shù)最大。綜合考慮頂板位移及支架偏載情況，支架俯角為3°時，端面頂板穩(wěn)定性更好。

2)隨著梁端距的減小，頂梁上方頂煤及端面頂煤位移均減小，當梁端距為0.5 m時，端面頂煤的垂直和水平位移均小于45 mm，支架前后柱阻力的比值也顯著降低，模型的安全系數(shù)增大。在一定范圍內(nèi)，端面距越小，更利于端面穩(wěn)定性。

3)隨著機采高度的增大，支架上方頂煤及端面頂煤位移量隨之增大，頂板穩(wěn)定性降低；當機采高度為5 m時，支架上方頂煤和端面頂煤的最大位移分別為120 mm和515 mm，冒頂概率增大，支架前后柱阻力比值達到最大值3.36，支架偏載最嚴重。因此，在保證端面頂板穩(wěn)定性的前提下，可以適當提高機采高度。

4)相似模型中的端面頂板穩(wěn)定性可分為正?；夭?、頂板惡化、端面冒頂三個階段；隨著采場覆巖頂板的回轉失穩(wěn)，支架-圍巖耦合關系惡化，導致支架有效支護阻力降低，端面頂煤穩(wěn)定性下降，最終發(fā)生端面冒頂事故，此時端面弱支護區(qū)頂煤的應變及變形明顯增大。