張金磊

(西山煤電股份公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203)

液壓支架的合理選型對于綜采工作面的安全生產(chǎn)意義重大，屬于安全高產(chǎn)高效綜采工作面重要組成部分。對于深部條件下工作面斷層發(fā)育的“三軟”煤層工作面，液壓支架選型及配套的不合理容易引起甚至加劇斷層區(qū)煤壁片幫、冒頂現(xiàn)象，出現(xiàn)安全事故，加之高地應(yīng)力及“三軟”條件的影響，液壓支架的合理選型顯得尤為重要。為此，本文利用數(shù)值模擬、理論分析，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測的綜合性研究方法，對深部復(fù)雜“三軟”煤層工作面液壓支架選型的合理性評價(jià)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 工程概況

某礦5208 工作面煤層埋深平均700 m，煤層厚度平均2.9 m，屬中厚煤層，煤厚變化不大，采用單一走向長壁采煤法，綜合機(jī)械化一次采全厚采煤工藝，煤層容重1.4 t/m3，為近水平煤層，煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，屬于典型的“三軟”煤層。工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巷道施工過程中共揭露多條斷層。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬方案

基于工作面實(shí)際條件，建立“三軟”工作面過斷層FLAC2D數(shù)值模型。FLAC2D數(shù)值模擬軟件作為工程力學(xué)計(jì)算的二維顯示有限差分程序，適用于模擬工作面推進(jìn)期間圍巖應(yīng)力分布特征及塑性區(qū)發(fā)育。結(jié)合工作面某斷層發(fā)育特點(diǎn)，數(shù)值分析“三軟”條件下工作面頂?shù)装逅苄詤^(qū)發(fā)育特征及斷層帶圍巖應(yīng)力分布規(guī)律和斷層區(qū)煤壁片幫、冒頂現(xiàn)象，用于指導(dǎo)復(fù)雜“三軟”煤層工作面液壓支架選型。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

模型網(wǎng)格是根據(jù)工程地質(zhì)巖層屬性劃分。在垂直層理方向上對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，各巖層組之間的界限要作為不同巖體力學(xué)介質(zhì)的分界線，在巖層組內(nèi)部巖石物理力學(xué)性質(zhì)相同時(shí)，水平方向的網(wǎng)格可按一定的間距劃分，而垂直方向須按巖組分界線劃分。模擬研究工作面推進(jìn)至斷層附近的應(yīng)力分布及塑性區(qū)發(fā)育情況時(shí)，考慮模型的尺寸效應(yīng)，建立模型范圍為斷層兩側(cè)各100 m，模型尺寸為200 m(長)×120 m(高)，數(shù)值模擬模型見圖1。

圖1 數(shù)值模型圖

數(shù)值計(jì)算采用莫爾-庫倫模型，模型側(cè)面與底面固定位移。根據(jù)實(shí)測鉛直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量施加應(yīng)力邊界條件，模型上部平均埋深750 m，上覆巖層的平均體積力為22 500 N/m3，計(jì)算得出加在模型上部邊界的應(yīng)力為16.875 MPa。

模擬過程中，工作面圍巖物理力學(xué)參數(shù)通過采集工作面實(shí)際煤巖，利用實(shí)驗(yàn)室測試并結(jié)合巖石的尺寸效應(yīng)確定，見表2。

表2 模型各巖層力學(xué)參數(shù)表

2.2 模擬結(jié)果

分析工作面煤壁靠近斷層時(shí)工作面圍巖應(yīng)力及塑性區(qū)的發(fā)育情況，見圖2。

圖2 復(fù)雜“三軟”煤層工作面圍巖塑性區(qū)圖

斷層賦存于“三軟”煤層條件下，煤壁、頂板及底板塑性區(qū)發(fā)育，工作面推進(jìn)至斷層附近，增加了煤壁片幫及冒頂幾率，加上軟底塑性區(qū)發(fā)育的影響，容易造成支架鉆底。因此，所選工作面液壓支架應(yīng)配有前伸縮梁，用以增加護(hù)幫效果，同時(shí)應(yīng)通過加寬底座增大底板容許的底板比壓，并安設(shè)有效的抬底千斤頂用于治理支架鉆底現(xiàn)象。

3 理論分析

通過經(jīng)驗(yàn)估算、理論分析支架工作阻力、初撐力等參數(shù)，進(jìn)行工作面支架選型。

1)經(jīng)驗(yàn)估算法。

支架支撐頂板的有效工作阻力Q 應(yīng)能承受4 ～8倍采高頂板巖層重量，還要承受老頂來壓時(shí)形成的附加載荷，支架合理工作阻力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:

式中:

Q0—液壓支架平均工作阻力，kN;

M—采高，m;

γ1—上覆巖層平均體積力，kN/m3，取25;

S—支架支護(hù)的頂板面積，m2，“三軟”煤層條件下支架要求底座大，支架寬度取1.75 m，控頂長度一般為4.5 m，則支護(hù)面積為7.875 m2;

K—不均衡系數(shù)，取1.35。

支架有效工作阻力Q0為3 425 ～6 850 kN。

2)理論分析法。

支架工作阻力應(yīng)能支撐住垮落帶巖層重量，即:

式中:

La—支架中心距，m，取1.75;

γ2—垮落帶直接頂平均體積力，kN/m3，取25;

h-垮落帶直接頂厚度，m;

L'2—直接頂巖梁長度，包括端面距、支架頂梁和前梁長度之和直接頂懸頂長度，m;

γli—垮 落 帶 中 第 i 層 老 頂 平 均 體 積力，kN/m3，25;

hli—垮落帶中第i 層老頂厚度，m;

Llki—垮落帶中第i 層老頂?shù)膸r塊長度，m(計(jì)算時(shí)取實(shí)際數(shù)據(jù)，若無，可參考巖層厚度1.5 m 時(shí)，取6 m，厚2.0 m 時(shí)，取10 ，厚為2.5 m 時(shí)，取14 );

K—安全系數(shù)，取1.2;

η—立柱與頂梁及掩護(hù)梁幾何關(guān)系的系數(shù)。

工作面垮落帶高度Hi為:

式中:

Kp—直接頂碎脹系數(shù)，取1.33。

代入以上數(shù)據(jù)，得到垮落帶高度8.7 m，直接頂6 m，得出直接頂全部進(jìn)入垮落帶。老頂分層自下往上依次為2.7 m 細(xì)砂巖，3.95 m 泥巖，2.35 m 細(xì)砂巖，上覆老頂巖層是否進(jìn)入裂隙帶判斷原則為:

式中:

Hi、H'i—由下而上第i 層老頂及老頂分層厚度，m;

Kl—老頂巖石碎脹系數(shù)，取1.2。

利用式(4)，得到老頂3.95 m 泥巖分層開始進(jìn)入裂隙帶。代入公式(2)，利用理論分析法得到所需支架工作阻力為6 120 kN。

所需支架的總工作阻力Q 為:

式中:

η＇—支撐效率，取0.8。

利用經(jīng)驗(yàn)估算法、理論分析法得到支架立柱的總工作阻力，取其較大值8 562 kN。支架初撐力一般為0.6 ～0.8 倍的工作阻力，得到支架初撐力為5 137 ～6 850 kN。

3)支架選型。

根據(jù)以上理論分析的結(jié)果，參考國內(nèi)類似條件下的工作面液壓支架選型，工作面選擇ZY10000/19.5/40 型兩柱掩護(hù)式中部液壓支架及ZZG10600/20/40型過渡液壓支架，支架工作阻力及初撐力均能夠滿足支護(hù)要求，其技術(shù)特征分別見表3，表4。

表3 ZY10000/19.5/40 型中部液壓支架技術(shù)特征表

表4 ZZG10600/20/40 過渡液壓支架技術(shù)特征表

ZY10000/19.5/40 型中間液壓支架配有前伸縮梁，每架安裝2 根伸縮梁千斤頂，底座安設(shè)1 根抬底千斤頂，能夠有效預(yù)防煤壁片幫事故。

ZZG10600/20/40 型過渡液壓支架加長頂梁有效解決了工作面上下端頭位置端面距過大的問題，過渡支架留有雙人行通道，通道寬敞，有效通風(fēng)面積大，對高瓦斯礦井有利，通過斷層等構(gòu)造比較容易;移架速度可達(dá)6 ～8 s/架，為工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效創(chuàng)造了有利條件。

4)支架參數(shù)合理性評價(jià)。

“三軟”條件下，工作面液壓支架選型不僅要考慮支架-頂板力學(xué)相互關(guān)系，而且軟底條件下支架底座易侵入底板，影響支架支護(hù)阻力的使用效率，因此，工作面液壓支架選型應(yīng)核算底板容許的底板比壓:

式中:

Pd—底板比壓，MPa;

Fd—底座與底板接觸面積，m2(支架寬度為1.75 m 時(shí)，中間液壓支架取5.63 ，過渡液壓支架取3.68 ;支架寬度為1.5 m 時(shí)，中間液壓支架取4.85，過渡液壓支架取3.17);

G—支架自重，kN，中間液壓支架取348.4，過渡液壓支架取356N。

代入以上數(shù)據(jù)，得到支架寬度為1.75 m 時(shí)，中間液壓支架底板比壓為1.57 MPa，過渡液壓支架為2.4 MPa，所選支架容許底板比壓能夠滿足條件;支架寬度為1.5 m 時(shí)，中間液壓支架底板比壓為1.82 MPa，過渡液壓支架為2.78 MPa，所選過渡支架容許底板比壓不能夠滿足條件。通過選擇1.75 m 寬底座液壓支架，加大支架底座與底板接觸面積，從而增加底板的容許底板比壓，利于防治支架鉆底。

4 現(xiàn)場實(shí)測

基于以上工作面支架的現(xiàn)場應(yīng)用效果進(jìn)行了長期的工作阻力觀測，選擇具有代表性意義的1 架支架作為測點(diǎn)，觀測結(jié)果見圖3。

圖3 支架工作阻力變化圖

由圖3 可以看出，工作面正常推進(jìn)期間，支架未出現(xiàn)超過額定工作阻力的情況，支架初撐力及工作阻力能夠滿足要求。同時(shí)，在現(xiàn)場觀測期間，工作面過斷層期間的煤壁片幫及冒頂?shù)玫搅擞行Э刂疲Ъ茔@底現(xiàn)象得到了明顯改善。綜上可知，通過理論分析及現(xiàn)場實(shí)測，得出支架選型合理能夠滿足深部復(fù)雜“三軟”煤層工作面的支護(hù)要求。

5 結(jié) 論

1)數(shù)值模擬表明，復(fù)雜“三軟”煤層工作面支架需要克服的主要技術(shù)難點(diǎn)有斷層區(qū)的煤壁片幫、冒頂、以及支架的鉆底現(xiàn)象。

2)理論分析得到了ZY10000/19.5/40 型兩柱掩護(hù)式液壓支架及ZZG10600/20/40 型過渡液壓支架的支架選型方案，結(jié)合底板比壓的合理性評價(jià)，得到所選架型能夠滿足容許底板比壓。

3)通過現(xiàn)場實(shí)測工作面支架支護(hù)效果及圍巖穩(wěn)定性，得出所選支架能夠滿足支護(hù)要求，控制了斷層區(qū)煤壁片幫、冒頂現(xiàn)象改善了支護(hù)效果。

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