綜放工作面礦壓顯現(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)

隨著采礦技術(shù)的不斷進(jìn)步，綜放開(kāi)采已經(jīng)成為厚煤層開(kāi)采的主要方式，且取得了較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果[1-3]。但是綜放開(kāi)采時(shí)，常會(huì)伴有冒頂、片幫等問(wèn)題，不同采放比條件下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律具有較大差異。因此，分析綜放開(kāi)采時(shí)，根據(jù)不同采放比條件下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，計(jì)算支架的額定工作阻力，選擇合適的支架類型，提高煤炭開(kāi)采時(shí)的安全性與高效性，具有重要的意義[4-5]。

本文以某礦31201工作面為背景，通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬等手段，分析不同采放比條件下綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，選擇合適的液壓支架，計(jì)算液壓支架的額定工作阻力，為綜放工作面液壓支架的合理選擇設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

某礦31201工作面開(kāi)采3號(hào)煤層，工作面埋深約360 m，煤層平均厚度6.3 m，為近水平煤層，傾角小于6°。工作面前期開(kāi)采時(shí)，設(shè)計(jì)推進(jìn)寬度240 m，推進(jìn)長(zhǎng)度3 236.9 m，采用綜放開(kāi)采。直接頂與直接底均為泥質(zhì)砂巖，厚度分別為10 m、15 m；老頂為粉砂巖，厚度為20.5 m。工作面地質(zhì)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，受多條正斷層影響，開(kāi)采時(shí)容易出現(xiàn)冒頂與片幫問(wèn)題。

以某礦31201工作面為背景，運(yùn)用FLAC3D建立工作面開(kāi)采數(shù)值模擬模型，長(zhǎng)500 m、寬400 m、高120 m，如圖1所示。模型采用莫爾庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，表1為煤巖體力學(xué)參數(shù)，表中從上至下分別為覆蓋層、老頂、直接頂、煤層、直接底、老底。分析采高分別為3.0 m、3.5 m、4.0 m時(shí)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

表1 煤巖體力學(xué)參數(shù)

采高分別為3.0 m、3.5 m、4.0 m時(shí)，放煤高度分別為3.3 m、2.8 m、2.3 m時(shí)工作面前方煤體垂直應(yīng)力變化規(guī)律見(jiàn)圖2?？梢钥闯觯寒?dāng)開(kāi)采高度為3.0 m時(shí)，工作面前方煤壁支承壓力最大值為35.6 MPa；當(dāng)開(kāi)采高度為3.5 m時(shí)，工作面前方煤壁支承壓力最大值為36.0 MPa，當(dāng)開(kāi)采高度為4.0 m時(shí)，工作面前方煤壁支承壓力最大值為36.2 MPa?？梢钥闯?，隨著開(kāi)采高度增大，放頂煤厚度減小，工作面前方超前支承壓力呈增大趨勢(shì)，但是增幅較小，開(kāi)采高度增大1.0 m，支承壓力僅增大1.7%，可忽略不計(jì)，故得出工作面超前支承壓力受采放比影響較小。

圖2 超前支承壓力分布規(guī)律

開(kāi)采高度分別為3.0 m、3.5 m、4.0 m時(shí)，放煤高度分別為3.3 m、2.8 m、2.3 m時(shí)工作面前方煤壁塑性區(qū)變化規(guī)律見(jiàn)圖3。為更好地分析煤壁塑性區(qū)范圍，從模型中截取部分范圍分析?？梢钥闯?，當(dāng)開(kāi)采高度分別為3.0 m、3.5 m時(shí)，煤壁塑性區(qū)范圍相近，分別為工作面前方6.2 m、6.6 m煤壁發(fā)生塑性破壞；當(dāng)開(kāi)采高度為4.0 m時(shí)，煤壁塑性破壞嚴(yán)重，工作面前方15.3 m范圍內(nèi)出現(xiàn)塑性破壞。

綜合以上分析可以得出：不同開(kāi)采高度下，工作面前方超前支承壓力峰值變化不明顯，說(shuō)明采高對(duì)支承壓力影響較小，但是不同采高條件下工作面前方煤壁塑性區(qū)范圍有較大差異。當(dāng)開(kāi)采高度小于3.5 m時(shí)，煤壁塑性區(qū)范圍較小，當(dāng)開(kāi)采高度大于3.5 m時(shí)，煤壁塑性區(qū)范圍急劇增大。煤壁發(fā)生塑性破壞意味著煤壁穩(wěn)定性變差，因此本文在進(jìn)行采放比設(shè)計(jì)時(shí)，選擇采高3.5 m、放煤2.8 m的開(kāi)采方案。

2 液壓支架選型分析

放頂煤開(kāi)采過(guò)程中，選擇合適的液壓支架，確定液壓支架支護(hù)強(qiáng)度與工作阻力具有重要意義。在選擇液壓支架的過(guò)程中，需要同時(shí)滿足以下條件：

1) 針對(duì)初次來(lái)壓以及周期來(lái)壓規(guī)律，液壓支架要有合適的工作阻力，滿足安全生產(chǎn)條件；

2) 為了保證暴露頂板的安全完整性，液壓支架要有合適的結(jié)構(gòu)形式；

3) 針對(duì)開(kāi)采高度及放頂煤高度，液壓支架須具有較好的高度適應(yīng)性；

4) 保證生產(chǎn)過(guò)程中安全、高效。

圖3 煤壁塑性區(qū)變化規(guī)律

3 液壓支架選型

本文選擇ZFY18000/25/39D液壓支架，支撐高度為2.5～3.9 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。

1) 支撐高度。由前文分析可知，本文放頂煤開(kāi)采時(shí)，煤層開(kāi)采高度為3.5 m。考慮頂煤垮落時(shí)的高度為0.2 m，故液壓支架需滿足大于3.7 m的條件，本文液壓支架支承高度最大為3.9 m，支撐高度符合要求。

2) 支護(hù)強(qiáng)度。支架的支護(hù)強(qiáng)度P需要滿足以下條件：

(1)

(2)

式中：h為煤層開(kāi)采高度，由上文分析可知，開(kāi)采高度為3.5 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；B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為煤層傾角，本工作面傾角為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。

將以上數(shù)據(jù)帶入式(1)、(2)可得：P1≥0.58 MPa、P2≥0.65 MPa，0.65 MPa小于1.5 MPa，故支護(hù)強(qiáng)度符合要求。

3) 工作阻力。

F=1 000PA(L+C)/ks

(3)

式中：F為支架工作阻力，kN；P取0.76 MPa；A為中心距大小，取2.15 m；L為支架的頂梁長(zhǎng)度與前梁長(zhǎng)度之和，取5.15 m，C為梁端距，取1.43 m；針對(duì)本文液壓支架類型，ks取0.9。

將數(shù)據(jù)帶入式(3)可得，F(xiàn)=11 945 kN<18 000 kN，符合設(shè)計(jì)要求。

采用FLAC3D模擬方法對(duì)計(jì)算得出的支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，得到支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量間的“P-ΔL”曲線，計(jì)算可知支護(hù)強(qiáng)度為0.65 MPa，故在數(shù)值模擬時(shí)，設(shè)置支護(hù)強(qiáng)度為0～1.2 MPa，間隔0.05 MPa，得出不同支護(hù)強(qiáng)度下的頂板下沉量，如圖4所示。

由圖4可以看出，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度較小時(shí)，頂板出現(xiàn)較大的下沉量，隨著支護(hù)強(qiáng)度的逐漸增大，頂板下沉量呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為0 MPa時(shí)，頂板下沉量最大，為0.423 m；當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度增大至0.65 MPa時(shí)，頂板下沉量較小，下沉量為0.028 m?？梢钥闯?，理論計(jì)算具有較好的合理性，故本文液壓支架選型合理。

圖4 支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量關(guān)系曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 開(kāi)采高度對(duì)工作面前方超前支承壓力變化規(guī)律影響較小，但是對(duì)煤壁塑性區(qū)范圍影響較大。采高小于3.5 m時(shí)，煤壁塑性區(qū)范圍小于6.6 m，塑性區(qū)范圍較??；采高為4.0 m時(shí)，煤壁出現(xiàn)較大范圍塑性區(qū)。故確定采煤高度3.5 m，放煤高度2.8 m。

2) 根據(jù)31201工作面的開(kāi)采條件，選擇了ZFY18000/25/39D液壓支架，理論分析與數(shù)值模擬分析了支架的支撐高度、支護(hù)強(qiáng)度、工作阻力，驗(yàn)證了支架選型的合理性。