耿澤琛

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.晉城煤業(yè)集團(tuán),山西 晉城 048006)

綜放工作面支架支護(hù)阻力對頂煤冒放性的影響

耿澤琛1,2

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.晉城煤業(yè)集團(tuán),山西 晉城 048006)

通過FLAC3D軟件模擬趙莊礦1304綜放工作面不同支架支護(hù)阻力對頂煤冒放性的影響,觀察不同支護(hù)阻力下頂煤的塑性區(qū)范圍,得到在一定支護(hù)強(qiáng)度時(shí),頂煤冒放性最優(yōu),超過或低于此支護(hù)強(qiáng)度,頂煤冒放性變差,具有一定的工程意義。

綜放開采;FLAC3D;支護(hù)阻力;冒放性

在綜放開采中,頂煤在礦山壓力和液壓支架的共同作用下被壓裂為較小的煤塊,通過放頂煤支架的頂煤放出口運(yùn)送到刮板輸送機(jī),從而將頂煤采出[1]。頂煤的冒放性對煤炭采出率有很大的影響。頂煤在采場中起到了直接頂?shù)淖饔?頂煤的變形和破碎是一個(gè)復(fù)雜的過程,在放頂煤采場的“支架-圍巖”關(guān)系中,支架通過頂煤控制采場頂板,頂板壓力通過頂煤作用在支架頂梁上,相比單一煤層開采,二者構(gòu)成了復(fù)雜的“老頂—直接頂—支架—底板”的支撐體系[2-3]。

趙莊礦1304工作面在實(shí)際開采過程中,在頂板巖層結(jié)構(gòu)變化的條件下,通過改變液壓支架的支護(hù)阻力來改善頂煤的應(yīng)力場狀態(tài),從而提高頂煤的放出率。本文通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件,根據(jù)采場的實(shí)際條件,建立1304工作面回采模型,在模型中施加不同支護(hù)強(qiáng)度,通過觀察頂煤的塑性區(qū)變化,模擬分析不同支架支護(hù)阻力對頂煤冒放性的影響。

1 礦井概況

趙莊礦1304工作面位于東回風(fēng)立井工業(yè)廣場南側(cè),埋深約為411.8 m～499.8 m,開采煤層為3#煤層,煤厚平均5.36 m,平均傾角約為6°,工作面走向長度為538.6 m,傾斜長度為145.8 m。煤層基本頂為粉砂巖,直接頂為泥巖。根據(jù)煤層性質(zhì)以及地質(zhì)條件,采用一次采全高綜采放頂煤的采煤方法,機(jī)采采高2.8 m,放頂煤厚度為2.56 m,全部垮落法管理頂板。

2 支架支護(hù)阻力對頂煤冒放性的模擬

FLAC3D數(shù)值模擬軟件是快速拉格朗日分析程序,軟件中的庫倫摩爾模型特別適用于模擬巖石材料在一定條件下發(fā)生變形破壞的力學(xué)特性。眾多專家學(xué)者利用該軟件模擬圍巖結(jié)構(gòu)變化規(guī)律以及穩(wěn)定性的問題,尤其在涉及到的巖體力學(xué)特性、圍巖應(yīng)力及工作面推進(jìn)與采場應(yīng)力場的時(shí)空關(guān)系等復(fù)雜力學(xué)問題時(shí),取得了顯著的成果[4-5]。

2.1模擬模型建立

根據(jù)1304綜放工作面的實(shí)際地質(zhì)條件,建立工作面的回采模型,基本力學(xué)模型尺寸為100 m×100 m×50 m,根據(jù)表1中巖石物理力學(xué)參數(shù)對模型中的相應(yīng)巖層進(jìn)行材料參數(shù)賦值,為了提高計(jì)算精度,對開采的3#煤層網(wǎng)格細(xì)化。

在處理模型邊界條件時(shí),固定模型的左、右以及下邊界,約束水平方向的位移,考慮到模型未建立到地表,在模型的上邊界施加均勻豎直方向的應(yīng)力以模擬上覆巖層自重。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock strata

2.2模擬結(jié)果

首先初始化模型的應(yīng)力,計(jì)算至平衡狀態(tài),然后根據(jù)1304工作面的開采情況,開挖模型,模擬1304工作面放頂煤的回采過程。對工作面區(qū)域分別施加0 kN、2 000 kN、5 000 kN、8 000 kN、10 000 kN進(jìn)行開挖模型的計(jì)算,用來研究不同工作面液壓支架支護(hù)阻力對工作面頂煤冒放性的影響。

在軟件的計(jì)算結(jié)果中,塑性區(qū)分布范圍表示頂煤的破壞范圍和程度,圖1為塑性區(qū)不同顏色示意圖,計(jì)算結(jié)果如圖2至圖6所示。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,當(dāng)工作面沒有液壓支架支護(hù)時(shí),如圖2所示,受到礦山壓力的影響,頂煤破碎嚴(yán)重,但由于工作面沒有液壓支架支護(hù),與實(shí)際情況不符;當(dāng)液壓支架支護(hù)阻力達(dá)到2 000 kN時(shí),如圖3所示,頂煤中存在大塊未破碎的煤體,導(dǎo)致頂煤的冒放性變差,進(jìn)一步提高支架支護(hù)阻力,當(dāng)達(dá)到5 000 kN時(shí),如圖4所示,頂煤中仍存在未破碎的煤體,當(dāng)支架支護(hù)阻力達(dá)到8 000 kN時(shí),如圖5所示,頂煤的冒放性最好,基本都被破碎,可以提高頂煤的采出率。根據(jù)圖6所示,當(dāng)液壓支架支護(hù)阻力達(dá)到10 000 kN時(shí),雖然支護(hù)阻力增大了,但在頂煤中出現(xiàn)大范圍未破壞的煤體,頂煤的冒放性降低,且在工作面前方,相比支架支護(hù)阻力較小時(shí),塑性區(qū)破壞范圍明顯減小。對比以上結(jié)果可以看出,在一定支護(hù)強(qiáng)度范圍內(nèi),隨著工作面液壓支架支護(hù)阻力增加,頂煤的冒放性不斷提高,超過該范圍時(shí),頂煤的冒放性隨著液壓支架阻力增高而變差,增加工作面頂板的管理難度。

對比以上模擬結(jié)果可知,液壓支架的支護(hù)阻力對頂煤的冒放性具有很大的影響,在一定范圍內(nèi),提高工作面的支護(hù)強(qiáng)度,可以充分發(fā)揮大阻力液壓支架的支護(hù)性能,保障工作面安全生產(chǎn),同時(shí)為支架上方的頂煤提供足夠的支撐力,改善頂煤的冒放性,增加放頂煤采出率,但超出該范圍后,增大支護(hù)阻力容易造成頂煤中存在大范圍未破壞的煤體,降低頂煤的冒放性,增加頂板的管理難度,對工作面安全生產(chǎn)產(chǎn)生影響。所以,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,需要選擇一個(gè)合理的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度,既要保證工作面安全生產(chǎn),也要改善頂煤的冒放性。

3 結(jié)束語

選用FLAC3D軟件對趙莊礦1304工作面液壓支架不同支護(hù)強(qiáng)度下頂煤的冒放性進(jìn)行了研究,根據(jù)模擬結(jié)果,可以得到以下結(jié)論:

1)當(dāng)液壓支架支護(hù)阻力在8 000 kN時(shí),頂煤的塑性區(qū)破壞范圍最大,頂煤的冒放性最好,增大或減小液壓支架支護(hù)阻力,容易導(dǎo)致頂煤的冒放性變差,降低頂煤的采出率。

2)在放頂煤開采工程中,在提高液壓支架支護(hù)阻力時(shí),需要考慮對頂煤冒放性的影響,選擇合理的支護(hù)強(qiáng)度,既要保證工作面安全,也要改善頂煤冒放性,提高煤炭采出率。

[1] 錢鳴高,石平五,許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[2] 宋選民,康天合,靳鐘銘,等.頂煤冒放性影響因素研究[J].礦山壓力與頂板管理,1995,3(4):85-88.

[3] 王建衛(wèi),郭娜,劉曉柯.綜放工作面支架支護(hù)阻力對頂煤冒放性的影響分析[J].煤礦現(xiàn)代化,2015(1):6-8.

WANG Jianwei,GUO Na,LIU Xiaoke.Mechanized Caving Face Support Resistance on the Top Coal Caving of Impact Analysis[J].Coal Mine Modernization,2015(1): 6-8.

[4] 胡國偉,靳鐘銘.基于FLAC3D模擬的大采高采場支承壓力分布規(guī)律研究[J].山西煤炭,2006,26(2):10-12.

HU Guowei,JIN Zhongming.Research on Distribution Laws of Abutment Pressure in Large Mining Height Workface by FLAC3DSimulation[J].Shanxi Coal,2006,26(2):10-12.

[5] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

EffectsofWorkingResistanceonTop-coalCavinginFully-mechanicalWorkingFace

GENGZechen1,2

(1.CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.JinchengCoalGroup,Jincheng048006,China)

FLAC3Dwas used to simulate the effects of different working resistance on the top-coal caving in No.1304 fully-mechanical working face in Zhaozhuang Mine in order to observe the plastic zone range under the different supporting resistance. The results show that, while the top-coal caving is optimal at a certain supporting strength, the top-coal caving is worse when supporting strength is more than or less than that certain value.

fully-mechanized mining; FLAC3D; supporting resistance; top-coal caving

1672-5050(2017)04-0005-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.002

2017-06-12

耿澤琛(1988-),男,河北深州人,在讀工程碩士,政工師,從事煤礦井下支護(hù)技術(shù)研究。

TD355

A

(編輯:楊 鵬)