兩柱與四柱綜放支架對頂煤二次破碎效果分析

方樹林，劉　坤，劉前進

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.伊犁新礦煤業(yè)有限責任公司，新疆 伊犁 835000)

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兩柱與四柱綜放支架對頂煤二次破碎效果分析

方樹林1，劉坤2，劉前進1

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013；2.伊犁新礦煤業(yè)有限責任公司，新疆 伊犁 835000)

為研究兩柱和四柱綜放支架對頂煤的二次破碎效果，采用ANSYS仿真模擬手段分析了支架反復支撐對頂煤的破壞機理，并得出了兩種綜放支架在不同硬度煤層條件下的頂煤破壞高度。結(jié)果表明：隨著支架反復支撐次數(shù)的增加，頂煤的破壞范圍和破壞程度均加大，四柱式綜放支架對頂煤的破壞效果優(yōu)于兩柱式綜放支架，而端面控頂效果不如后者。對于堅硬或特厚煤層綜放開采建議優(yōu)先選用四柱綜放支架，當頂煤的實際厚度大于綜放支架對頂煤的最大破壞高度時，需對頂煤采取弱化措施。

兩柱支架；四柱支架；綜放開采；頂煤二次破碎；反復支撐；有限元模擬

在綜放采場中，支架與圍巖是一個相互作用的整體，支架在承載頂板和頂煤載荷的同時，也會對直接接觸的頂煤產(chǎn)生破壞作用。事實上，支架反復支撐對頂煤的二次破碎效果是判斷綜放支架適應性的重要標準之一。目前對頂煤破碎機理的研究多是集中在礦山壓力的破煤效果，而對支架反復支撐的作用還缺乏深入的研究[1-3]。由于兩柱和四柱綜放支架在立柱排數(shù)、柱窩位置、立柱前傾角、頂梁長度等諸多結(jié)構(gòu)方面的差異，在同等條件下兩種支架對頂煤的二次破碎效果不同[4]，但不管是現(xiàn)場測試還是實驗室試驗都很難對這一過程和破壞效果做到全面監(jiān)測和真實模擬。因此，采用ANSYS有限元仿真模擬手段，對兩柱和四柱綜放支架的二次破煤效果進行研究。

1　支架反復支撐對頂煤的破碎機理

在綜放工作面向前推進過程中，每完成一個采煤循環(huán)，支架控頂區(qū)上方的頂煤就要經(jīng)歷一次降架-移架-升架的循環(huán)過程，一般支架的頂梁長度要遠大于采煤循環(huán)步距，因此頂煤從揭露到放出要經(jīng)歷支架多次反復支撐的作用。對于堅硬煤層，為實現(xiàn)頂煤的順利放出，有時還需要支架原地反復支撐多次，以增加破煤效果。降架過程中支架的卸載為頂煤的移動提供更大的自由空間，促使裂隙的擴展和頂煤的破碎；升架過程中支架的加載進一步加劇了頂煤的再破壞，且由于加載造成頂煤移動空間縮小，引起煤塊間的擠壓和剪切破壞[5]。支架反復支撐在頂煤內(nèi)產(chǎn)生交變應力，比靜態(tài)載荷作用更能加劇頂煤破壞，其作用機理類似于頂煤在循環(huán)載荷作用下的疲勞損傷[6-7]。影響支架反復支撐破碎頂煤的因素主要為支架初撐強度與頂煤峰后強度的比值以及支架反復支撐的次數(shù)[8]。

2　數(shù)值模型的建立

對支架與圍巖關(guān)系的數(shù)值模擬研究一般多采用FLAC3D，3DEC等巖土分析軟件。在模擬當中，支架被簡化為集中力或桿單元，對支架結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用則無法模擬，且頂煤力學特性、支架結(jié)構(gòu)的力學響應及其相互作用關(guān)系都屬于非線性問題，因此支架圍巖系統(tǒng)具有高度的非線性，而ANSYS有限元數(shù)值分析軟件則能夠有效克服上述問題。

分別建立兩柱和四柱綜放支架與頂煤相互作用的數(shù)值分析模型，支架結(jié)構(gòu)尺寸分別按照ZFY12000/23/40D兩柱掩護式綜放支架和ZF12000/26/40四柱支撐掩護式綜放支架的實際尺寸進行模擬，支架高度為3.4m，模型總高度為10m，長15.8m，頂煤厚度為6.6m。為便于和頂煤建立接觸關(guān)系，支架頂梁采用實體單元plane42模擬，根據(jù)支架各結(jié)構(gòu)的受力特點，支架掩護梁、底座、四連桿等構(gòu)件采用梁單元beam3模擬；立柱采用link180桿單元進行模擬。支架各構(gòu)件的裝配關(guān)系以及截面尺寸均按照支架實際進行模擬。

煤體本構(gòu)模型采用Drucker Prager模型，頂煤與支架頂梁的接觸為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.2。支架底座、煤體頂部和底部均約束垂直方向上的位移，煤體的右側(cè)約束水平方向上的位移?？紤]到超前支承壓力對頂煤的預破壞作用，模擬當中對頂煤強度按照峰值前的1/10進行弱化處理[9]，且當頂煤再次發(fā)生塑性變形時即認為頂煤破壞。

根據(jù)支架反復支撐對頂煤二次破碎的影響因素，確定數(shù)值模擬方案如下：

(1)模擬支架初撐力為8000kN，煤層硬度系數(shù)f=1.0的情況下，兩柱和四柱綜放支架反復支撐次數(shù)、加卸載過程對頂煤二次破壞效果的影響。根據(jù)頂梁長度與采放循環(huán)進尺的關(guān)系，確定支架反復支撐的最大循環(huán)次數(shù)為6次。

(2)模擬支架初撐力為8000kN，支架反復支撐6次后，兩柱和四柱綜放支架對不同硬度頂煤的二次破壞效果。煤層硬度系數(shù)分別取0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0等8種情況。

3　模擬結(jié)果分析

3.1反復支撐對頂煤的破壞效果分析

3.1.1頂煤應力分布

圖1～2分別為兩柱與四柱綜放支架第1和第6循環(huán)載荷作用下頂煤應力分布情況。支架支撐力的影響范圍主要是控頂區(qū)上方的頂煤以及煤壁前方煤體，且對支架上方頂煤的作用為擠壓作用，對端面和煤壁前方頂煤的作用則為拉伸作用，兩種作用均會造成相應位置頂煤的變形破壞。由圖可知，頂煤應力集中主要出現(xiàn)在支架后方，應力水平從頂梁后鉸點至煤壁總體呈降低趨勢，可見支架主動支撐力對后部頂煤的破壞作用最為顯著。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，頂煤應力分布區(qū)的范圍有所增大，應力集中區(qū)的位置有向前移動趨勢，這主要是由于后部頂煤發(fā)生塑性破壞后卸壓的結(jié)果。

對比兩種支架作用下的頂煤應力分布可知，四柱式綜放支架頂煤應力分布范圍明顯大于兩柱式綜放支架，且應力集中區(qū)的范圍也更廣。尤其在端面和煤壁前方，四柱式綜放支架對頂煤的影響范圍大于兩柱式綜放支架，由于該位置頂煤受拉應力作用，穩(wěn)定性變差。

圖1　兩柱綜放支架每循環(huán)加載后頂煤應力分布

圖2　四柱式綜放支架每循環(huán)加載后頂煤應力分布

圖3　綜放支架上方頂煤應力沿頂梁長度方向分布

圖3(a)、(b)分別為兩柱和四柱綜放支架上方0.5m處頂煤沿頂梁長度方向的應力分布情況，由兩曲線對比可知，兩柱和四柱綜放支架頂煤應力分布趨勢基本相同，即支架對后部頂煤作用力較大，而對前端頂煤作用力較小，從距頂梁后鉸點2.8m處開始，頂煤應力開始迅速下降，直到頂梁前端頂煤應力降為最低。因此可以認為，支架支撐力主要對位于頂梁后半部分的頂煤產(chǎn)生作用。兩柱式綜放支架最大切頂力為1.18MPa，四柱式綜放支架最大切頂力為1.15MPa，可見兩柱和四柱綜放支架對頂梁后部頂煤均能產(chǎn)生較理想的切頂力，但四柱式綜放支架產(chǎn)生的后部切頂力更均勻，對后部頂煤的破壞更有利。

3.1.2頂煤塑性區(qū)分布

頂煤塑性區(qū)的范圍反映了支架作用力對頂煤的破壞情況。圖4為兩柱和四柱綜放支架在經(jīng)歷6次循環(huán)加卸載后頂煤塑性區(qū)的分布。對比可知，四柱式綜放支架頂煤塑性區(qū)的分布范圍更廣，因此對頂煤的破壞效果更顯著，但是四柱式綜放支架對端面頂煤的塑性破壞程度也更大，這對端面頂煤的控制不利。

圖4　兩柱和四柱綜放支架頂煤塑性區(qū)分布

表1分別統(tǒng)計了兩柱和四柱綜放支架在各循環(huán)加、卸載階段頂煤塑性區(qū)的單元個數(shù)，在第6循環(huán)結(jié)束時，兩柱和四柱綜放支架頂煤塑性變形的單元個數(shù)分別為309和361，即四柱綜放支架頂煤塑性區(qū)的面積約為兩柱綜放支架的1.2倍。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，頂煤塑性區(qū)的范圍有所擴大，但增長幅度有限，頂煤塑性區(qū)范圍主要由第1循環(huán)的載荷決定，可見增大支架支撐能力對于增加支架破煤效果尤為關(guān)鍵。且由每循環(huán)加、卸載階段頂煤塑性區(qū)單元個數(shù)對比可知，加載和卸載過程均會造成頂煤塑性區(qū)范圍的擴大，而加載過程的影響更大。

表1　各循環(huán)加載卸載階段頂煤塑性區(qū)單元個數(shù)統(tǒng)計

3.1.3塑性損傷積累

隨著支架反復支撐次數(shù)的增加，不僅是塑性區(qū)的范圍變化，頂煤的破壞程度也會逐漸增大，即產(chǎn)生塑性損傷的積累。在兩柱和四柱綜放支架控頂區(qū)后部頂煤單元中選擇同一位置節(jié)點，并繪制該節(jié)點塑性應變隨時間變化的時間歷程曲線(圖5)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性應變時間歷程曲線呈現(xiàn)出明顯的階梯型增長過程，表明在每一次循環(huán)加卸載過程中均有一定的塑性損傷積累，支架多次反復支撐加劇了頂煤破壞，但每循環(huán)塑性損傷的增長隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈減緩趨勢。由于加載、卸載過程中頂煤所受作用力方向相反，所產(chǎn)生的塑性應變方向也相反，因此應變曲線表現(xiàn)出明顯的棘輪效應[10]，頂煤經(jīng)過多次“壓—張”交變應力作用，損傷破壞進一步加劇。

圖5　綜放支架控頂區(qū)頂煤塑性應變時間歷程曲線

3.2不同硬度頂煤的破壞效果分析

在其他條件不變的情況下，模擬不同煤層硬度條件下兩柱和四柱綜放支架對頂煤的破壞效果。在綜放開采中，頂煤的最大破壞高度是評價頂煤可放性的重要標準之一。如圖6所示為不同硬度煤層條件下兩柱和四柱綜放支架頂煤塑性區(qū)最大發(fā)育高度對比。可見在同等條件下，四柱式綜放支架對頂煤的破壞高度明顯大于兩柱式綜放支架。當煤層硬度系數(shù)f=3時，兩柱綜放支架對頂煤最大破壞高度為3.0m，而四柱綜放支架對頂煤的最大破壞高度為3.5m。隨著煤層硬度的增大，兩柱和四柱綜放支架對頂煤的破壞高度均減小。對于頂煤放出困難的堅硬或特厚煤層綜放開采建議優(yōu)先選用四柱綜放支架，當頂煤的實際厚度大于綜放支架對頂煤的最大破壞高度時，需對頂煤采取弱化措施。

圖6　不同硬度頂煤塑性區(qū)最大高度分布

4　結(jié)　論

(1)支架反復支撐在頂煤內(nèi)產(chǎn)生交變應力，比靜態(tài)載荷作用更能加劇頂煤破壞，其作用機理類似于頂煤在循環(huán)加卸載作用下的疲勞損傷。影響支架反復支撐對頂煤破壞作用的因素主要為支架初撐強度與頂煤峰后強度的比值以及支架反復支撐的次數(shù)。

(2)有限元數(shù)值模擬結(jié)果顯示：隨著支架反復支撐次數(shù)的增加，頂煤的塑性區(qū)范圍和破壞程度均隨之增大，但主要由第1循環(huán)載荷的作用決定，支架自身支撐能力仍是決定頂煤破壞效果的最重要因素。反復支撐過程中，支架的加載、卸載均會加劇頂煤破壞，而加載過程對頂煤破壞的影響更顯著。

(3)四柱式綜放支架對頂煤的破壞效果優(yōu)于兩柱式綜放支架，而端面控頂效果不如后者。隨著煤層硬度的增大，兩柱和四柱綜放支架對頂煤的破壞高度均減小。對于堅硬或特厚煤層綜放開采建議優(yōu)先選用四柱綜放支架，當頂煤的實際厚度大于綜放支架對頂煤的最大破壞高度時，需對頂煤采取弱化措施。

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[責任編輯：于海湧]

Top Coal Secondary Crushing Results by Two Columns and Four Columns Top Coal Caving Support

FANG Shu-lin1，LIU Kun2，LIU Qian-jin1

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Yili Xinkuang Coal Co.，Ltd.，Yili 835000，China)

In order to study recrushing results that two columns and four columns support to top coal，the broken principle of repeated supporting to top coal was analyzed by software ANSYS，then top coal broken height in different hardness coal seam of two top coal caving support were put forward.The results showed that the top coal broken scope and degree increased with support repeated supporting times increased，the broken results of four columns support was better than two columns support，but roof control effect of head face was worse.So four columns support was the best choose for top coal caving in harden or extra thickness coal seam，weaken measures should be adopted as actual thickness of top coal was larger than the maximal top coal broken height that caused by support.

two columns support；four columns support；top coal caving；two broken of top coal；repeated supporting；infinite simulation

2016-04-08

國家自然科學基金項目(51304118)；國家自然科學基金青年項目(51304115)；中煤科工集團面上基金(2014MS034)；天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金(KJ-2015-TDKC-02)

方樹林(1987-)，男，安徽樅陽人，碩士，助理研究員，現(xiàn)從事煤礦巷道支護技術(shù)研究工作。

TD355.42

A

1006-6225(2016)05-0004-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.002

[引用格式]方樹林，劉坤，劉前進.兩柱與四柱綜放支架對頂煤的二次破碎效果分析[J].煤礦開采，2016，21(5)：4-7，32.