陳 剛， 單麒源

(黑龍江科技大學(xué)黑龍江省煤礦深部開(kāi)采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150022)

放頂煤工作面液壓支架的適應(yīng)性

陳 剛， 單麒源

(黑龍江科技大學(xué)黑龍江省煤礦深部開(kāi)采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150022)

為解決開(kāi)采深度對(duì)支架超負(fù)荷損壞的影響，針對(duì)營(yíng)城煤礦3號(hào)深埋煤層放頂煤開(kāi)采的特點(diǎn)，采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬的方法，通過(guò)對(duì)液壓支架選型的分析論證，以及實(shí)測(cè)礦壓數(shù)據(jù)的分析，應(yīng)用有限元分析方法，研究了不同開(kāi)采深度條件下放頂煤工作面礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)。結(jié)果表明:開(kāi)采深度增大、地壓線性增加、工作面埋深由200 m增加到1 000 m時(shí)，支承壓力區(qū)峰值應(yīng)力增加了36%。該研究證明了所選液壓支架可以滿足深埋煤層頂板控制的適用要求。

深部煤層;放頂煤;支護(hù)強(qiáng)度;數(shù)值模擬

0 引言

放頂煤開(kāi)采法始于20世紀(jì)40年代法國(guó)，由于其具有安全、高效、掘進(jìn)率低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在厚煤層開(kāi)采中得到廣泛應(yīng)用［1－2］。但隨著礦井開(kāi)釆深度的增加，地應(yīng)力不斷增大，有些工作面出現(xiàn)支架超負(fù)荷損壞情況，給礦井生產(chǎn)帶來(lái)安全隱患［3］。國(guó)內(nèi)外在深部放頂煤礦壓顯現(xiàn)方面作了大量研究工作，得到了開(kāi)采深度與支承壓力作用范圍［4］、煤體極限平衡區(qū)大小之間的關(guān)系［5］，頂板硬度對(duì)下沉量的影響工作面支架載荷的影響［6－7］，這些研究取得了豐碩的成果。研究深部開(kāi)采礦井綜放開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，掌握其變化特征，能為生產(chǎn)礦井綜放工作面支架選型和試用性評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)。

吉林省宇光能源營(yíng)城煤礦目前生產(chǎn)采區(qū)開(kāi)采深度700～900 m，放頂煤開(kāi)采時(shí)礦壓顯現(xiàn)會(huì)與淺部開(kāi)采時(shí)有一定差別，為了確保工作面安全，運(yùn)用理論計(jì)算、數(shù)值模擬與經(jīng)驗(yàn)類比等方法對(duì)液壓支架主要參數(shù)進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)測(cè)礦壓數(shù)據(jù)繪制工作阻力曲線，分析支護(hù)的可靠性，能為深部放頂煤工作面支架選型提供理論參考。

1 7307綜放工作面支護(hù)強(qiáng)度的確定

7307回采工作面井下位于－600 m運(yùn)輸大巷南側(cè)。工作面走向長(zhǎng)度84～150 m，傾斜長(zhǎng)度415～426 m，距地表距離744.29～815.29 m。煤層厚度6.1 m，直接頂為白色粉砂巖，厚度1.0～1.2 m，老頂為灰白色粗砂巖，厚度12～15 m。

依據(jù)采高倍數(shù)法、頂板結(jié)構(gòu)分析估算法和實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法［8－10］分別求出支護(hù)強(qiáng)度q1、q2、q3。

依據(jù)采高倍數(shù)法時(shí)，

式中:K1——支架上方頂板巖層厚度，一般K1=6～8;

H——工作面機(jī)采高度，m，2.4 m;

γ——頂板容重，kN/m3，26.2 kN/m3。

將K1=7，H=2.4 m，和γ=26.2 kN/m3代入式(1)中得:

依據(jù)頂板結(jié)構(gòu)分析估算法［11］時(shí)，

式中:q2——支架最小支護(hù)強(qiáng)度，MPa;

Kd——基本頂失穩(wěn)系數(shù)，一般取1.1～1.8;取Kd=1.2。

qd——直接頂?shù)淖灾貞?yīng)力，MPa;

qc——頂煤自重應(yīng)力，MPa;

γd——直接頂容重，t/m3，取γd=2.62 t/m3;

h——直接頂垮落充填高度，m;

γc——煤層的容重，t/m3，取γc=1.39 t/m3;

Mc——頂煤厚度，m，取Mc=3.7 m;

M——煤層厚度取，m，取M=6.1 m;

K2——采出率，取K2=0.85。

Kp——碎脹系數(shù);取Kp=1.3。

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和估取值代入式(2)，可得:

依據(jù)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法時(shí)，

式中:k——安全系數(shù)，支架阻力利用率按75%計(jì)算，則k=1.33。

由式(3)可得:

結(jié)合以上三種不同方法確定的支護(hù)強(qiáng)度，確定7307工作面在機(jī)采高度為2.4 m時(shí)支架的合理支護(hù)強(qiáng)度qmin=0.692 MPa，為了能夠更好的滿足營(yíng)城煤礦7307工作面安全生產(chǎn)的要求，決定取n=1.15的安全系數(shù)，這樣確定的支架合理額定支護(hù)強(qiáng)度為

q=nqmin=1.15×0.692=0.796 MPa。

2 7307工作面支架的阻力觀測(cè)

7307綜放工作面支護(hù)采用ZF3600/16/25型支撐掩護(hù)式低位放頂煤支架支護(hù)，日推進(jìn)度為1 m。為了分析支架的可靠性，分別在10、20、30、40、50、60、70、80、90、100號(hào)支架前支柱安裝了10塊離線支架壓力自動(dòng)記錄儀，具體布置，如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Arrangement of measure points

觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2～4，由支架歷史數(shù)據(jù)曲線可以看出，工作面動(dòng)載系數(shù)不大，工作面來(lái)壓并不是全線同時(shí)來(lái)壓，有分段性，來(lái)壓不明顯，3月3日至15日停產(chǎn)期間整個(gè)工作面維持在較高壓力狀態(tài)。

圖2 7307工作面支架初撐力曲線Fig.2 Initial support resistance curve of 7307 working face

圖3 7307工作面支架末阻力曲線Fig.3 Final support resistance curve of 7307 working face

圖4 7307工作面支架載荷頻率分布Fig.4 Diagram of frame pressure frequency distribution

通過(guò)圖2～4所示曲線及頻率圖可以看出，工作上部30號(hào)支架和下部70號(hào)、80號(hào)、90號(hào)支架工作阻力較高，其他支架阻力不大。

隨工作面的推進(jìn)，每個(gè)循環(huán)內(nèi)支架阻力的大小與注液量、頂板結(jié)構(gòu)、頂煤破碎程度相關(guān)，而且在工作面不同部分支架工作阻力大小也有差異，由此反映工作面頂板的壓力大小、支架的適應(yīng)性以及支護(hù)效能的發(fā)揮程度。工作面支架的初撐力、末阻力實(shí)測(cè)值如圖所示。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知工作面平均初撐力17.8 MPa，占額定值的50.4%(額定值為35.3 MPa)。平均末阻力為20.1 MPa，占支架額定值56.9%。

綜合支架的頻率分布圖可見(jiàn)，分布在0～30 MPa區(qū)間的工作阻力約占73.7%，分布在30～35.3 MPa區(qū)間的工作阻力約占22.6%，大于35.3 MPa的工作阻力約占3.7%。從整體上看支架阻力可以滿足工作面頂板控制要求，但由于頂板結(jié)構(gòu)及破斷影響，工作面支工作架阻力分布不均，其中壓力最大的70號(hào)支架分布在0～30 MPa區(qū)間的工作阻力約占58.4%，分布在30.0～35.3 MPa區(qū)間的工作阻力約占25.9%，大于35.3 MPa的工作阻力約占15.7%。

3 綜放面礦壓特征的數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算模型的建立

Flac是三維有限差分程序，能方便準(zhǔn)確的模擬工程問(wèn)題。為研究深井大采高綜放面圍巖應(yīng)力分布及變形破壞特征，采用數(shù)值模擬軟件，結(jié)合營(yíng)城礦工作面開(kāi)采生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)不同開(kāi)采深度綜放面圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布特征進(jìn)行研究。綜放工作面數(shù)值計(jì)算分析模型總高度為50 m，模擬長(zhǎng)度50 m。模型除了上部邊界屬于應(yīng)力邊界條件，其它邊界都是位移邊界條件，邊界位移為0，模擬工作面埋深分別為200、300、400、500、600、700、800、900、1 000 m，煤層厚度6.1 m，采高2.4 m。工作面上覆巖層平均容重取26 kN/m，模型如圖5所示，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 7307工作面有限元模型Fig.5 Finite element model of 7307 working face

表1 力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters

3.2 模擬結(jié)果分析

在工作面上部由支架頂梁尾端到煤壁前方模型邊緣均勻布置20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)不同開(kāi)采深度時(shí)這些測(cè)點(diǎn)所處位置的應(yīng)力值。測(cè)點(diǎn)1－16在工作前方煤體內(nèi)，17－20為支架頂梁上方。將不同采深時(shí)各點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值匯總得到圖6所示曲線。

圖6 埋深不同時(shí)工作面前方豎直應(yīng)力分布曲線Fig.6 Vertical stress distribution cure in front of working face at different mining depths

工作面開(kāi)采后支架及工作面前放煤體上應(yīng)力分布如圖6所示。埋深不同時(shí)，沿工作面走向垂直應(yīng)力分布有以下共性:在支架上方及靠近煤壁前方不遠(yuǎn)處應(yīng)力較為緩;遠(yuǎn)離工作面煤體內(nèi)應(yīng)力升高明顯，各開(kāi)深度條件下應(yīng)力分布曲線相似，峰值隨開(kāi)采深度增加而增大，支承壓力范圍也有所變化。由圖6中所示不同開(kāi)采深度時(shí)豎直應(yīng)力曲線可以看出，工作面埋深由200 m增加到1 000 m時(shí)，支承壓力區(qū)峰值應(yīng)力增加了36%，由此可見(jiàn)開(kāi)采深度增大，地壓線性增加，巖層破壞程度增加，運(yùn)動(dòng)更為劇烈。由于工作面處于應(yīng)力降低區(qū)，所以面支架上方壓力隨工作面深度增加增幅不大。

4 結(jié)論

針對(duì)7307深部綜采放頂煤工作面開(kāi)采的特點(diǎn)，對(duì)液壓支架選型與可靠性進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論:

(1)結(jié)合7307深部綜采放頂煤工作面煤層與頂板條件采用采高倍數(shù)容重法、頂板結(jié)構(gòu)分析估算法以及實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)法確定該工作面的支護(hù)強(qiáng)度。

(2)根據(jù)實(shí)測(cè)液壓支架工作阻力和頻率分布直方圖，分析了該工作面的礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，以及所選液壓支架的可靠性。

(3)通過(guò)有限元分析得到了放頂煤工作面壓力分布規(guī)律與開(kāi)采深度之間的關(guān)系，明確了采深對(duì)超前支承應(yīng)力分布特征的影響，為深部放頂煤工作面支架選型提供理論支持。

［1］ 楊榮明，吳士良.布爾臺(tái)煤礦大采高開(kāi)采轉(zhuǎn)綜放開(kāi)采實(shí)踐研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012(12):8－10.

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(編校 李德根)

Adaptability analysis of hydraulic support for top coal caving face

Chen Gang，Shan Qiyuan
(Heilongjiang Ground Pressure＆Gas Control in Deep Mining Key Lab，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

This paper is intended to investigate the influence of mining depth on the support.The research depending on the characteristics of top coal caving in No.3 depth seam works towards using theoretical calculations and numerical simulation methods to study and analyze the rational hydraulic support; identifying the applicable requirements of roof control in depth seam by the analysis of data based on mineral pressure observation;and investigating the characteristics of underground pressure in caving face under different mining depth conditions using the method of finite element analysis，and studying the influence of mining depth on the working face of top coal caving.The simulation results show that an increase in mining depth is followed by an obvious increase in the bearing pressure.

deep coal seam;top coal caving;supporting strength;numerical simulation

10.3969/j.issn.2095－7262.2017.04.013

TD355.4

2095－7262(2017)04－0388－04

:A

2017－05－10

黑龍江省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(QC2014C057)

陳 剛(1979－)，男，黑龍江省大慶人，副教授，博士研究生，研究方向:礦山壓力控制及煤礦應(yīng)急救援，E-mail:chengang0607@163.com。