趙延甫　李飛越

【摘要】隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，綜放工作面端頭支護(hù)逐漸成為頂板管理的重點(diǎn)。綜放工作面端頭是集采煤、運(yùn)輸、通風(fēng)、行人為一體的重要出口，具有設(shè)備眾多，支護(hù)面積大，支護(hù)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，端頭支護(hù)質(zhì)量的好壞直接影響著礦井的正常安全生產(chǎn)。以裴溝煤礦為研究對象，采用現(xiàn)場研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了31111工作面端頭應(yīng)力分布狀況，同時計算出了工作面和上端頭頂板的壓力，對所采用支架支護(hù)的適應(yīng)性進(jìn)行了研究。

【關(guān)鍵詞】綜放開采 數(shù)值模擬 端頭支架 應(yīng)力分布

【中圖分類號】TD82 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）39-0221-02

一、引言

綜放工作面端頭是工作面頂板事故多發(fā)地點(diǎn)，以往端頭支護(hù)的方式一般為木垛、石架等，后來又變?yōu)閱误w液壓支柱加十字鉸接頂梁的聯(lián)合支護(hù)，目前普遍采用的是端頭支架支護(hù)。對于端頭頂板的破壞和支護(hù)，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。在頂板破壞形式上，形成了統(tǒng)一的理論，即工作面端頭會形成“弧三角形懸板”結(jié)構(gòu)。江光宏等根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際觀測，以及實(shí)驗(yàn)室相似模擬試驗(yàn)證明，在頂板巖層比較穩(wěn)定時，工作面端頭頂板會形成“弧三角形懸板”結(jié)構(gòu)，證實(shí)了“弧三角形懸板”的存在。宋振騏等，康立勛等，宋選民等，朱德仁等通過對放頂煤采煤工作面頂煤的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，采煤工作面端頭頂煤的下位部分將會產(chǎn)生許多水平裂隙或離層，這些離層的出現(xiàn)降低了頂煤層的分層厚度，不利于在工作面端頭形成有利于護(hù)頂?shù)摹盎∪切螒野濉?。在支護(hù)理論上，金桃等運(yùn)用UDEC模擬軟件分析了端頭支護(hù)強(qiáng)度與端頭頂板穩(wěn)定性的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著端頭支護(hù)強(qiáng)度的增加，端頭頂板下沉量減小。曹勝根等應(yīng)用UDEC程序分析了綜放開采端面頂板穩(wěn)定性與支架工作阻力及端面距的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)端面頂板冒落情況與支架工作阻力及支護(hù)角度密切相關(guān)。本文以裴溝煤礦31111工作面端頭為研究對象，通過CDEM模擬軟件分析了端頭的應(yīng)力分布情況，同時，通過計算，對工作面支架和端頭支架的適應(yīng)性進(jìn)行了研究。

二、31111工作面情況

工作面走向長1600m，傾斜長139m，平均煤厚7.2m，煤層賦存較穩(wěn)定，煤層傾角8～24°，平均傾角16°，煤硬度系數(shù)0.374。直接頂為泥巖或砂質(zhì)泥巖，平均6m左右，直接頂隨回采放頂逐步垮落，老頂為大占砂巖，平均7m左右，直接底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖，平均10m左右，頂?shù)装逋暾暂^好。該工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷外段均為36#U型鋼支架支護(hù)巷道，設(shè)計高度為3.5m，下寬為5.3m，凈斷面為15.1m2。工作面采用綜采放頂煤工藝，采煤機(jī)型號：MG250/600-WD，采高2.7m，選擇ZF6400/19/32型液壓支架86架，過渡支架選用ZFG6400/21/32型6架，上下端頭各3架。下端頭采用ZFT21000/18/35型端頭支架支護(hù)頂板，液壓支架寬度1.5m，額定工作阻力6400KN。

三、31111工作面上端頭應(yīng)力分布

利用中科院力學(xué)所研制的CDEM數(shù)值模擬軟件，計算31111工作面上端頭應(yīng)力分布。依據(jù)31111工作面圍巖條件和巖層的參數(shù)，建立三維數(shù)值模型，模型包括煤層下方25m、二1煤層和煤層上方100m左右的巖層范圍，共包括10個巖層，模型四周和底面位移約束，頂面施加垂直應(yīng)力，如圖1所示。

四、工作面支架支護(hù)阻力驗(yàn)算

ZF6400/19/32型放頂煤液壓支架是根據(jù)鄭州地區(qū)煤層地質(zhì)特征，總結(jié)國內(nèi)外綜采技術(shù)成果，分析各種掩護(hù)式支架特點(diǎn)和使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的掩護(hù)式放頂煤液壓支架。該支架的顯著特點(diǎn)一是結(jié)構(gòu)簡單、主要參數(shù)合理，結(jié)構(gòu)比較完善，功能較為全面，縱橫穩(wěn)定性可靠；二是進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，改善了支架的受力狀況，提高了支架的使用壽命。

針對31111工作面的地質(zhì)條件，結(jié)合支架架型分析，應(yīng)用以下2種方法計算支架工作阻力。

①頂板結(jié)構(gòu)分析估算法

該計算方法的理論基礎(chǔ)是工作面支架工作阻力承受直接頂和頂煤的載荷，并平衡基本頂失穩(wěn)對支架的動載，支護(hù)強(qiáng)度計算公式為：

考慮動載因素的影響，取動載系數(shù)為1.5，則支架最大工作阻力需要（2745～3060）×1.5=4118～4590kN。

根據(jù)上述計算結(jié)果，通過2種方法計算的合理支架工作阻力分別為4032kN和4590kN，均小于31111工作面選擇的ZF6400/19/32型支架的工作阻力6400kN。因此，可見31111工作面正常支護(hù)段選擇的ZF6400/19/32型支架，工作阻力能夠滿足31111工作面頂板支護(hù)要求。

五、端頭支架支護(hù)阻力驗(yàn)算

ZFG-6400/21/32型過渡支架為伸縮桿式放頂煤過渡支架，該支架由煤科總院北京分院開采裝備所研發(fā)設(shè)計。該支架克服了傳統(tǒng)的反四連桿過渡支架空間狹小的缺點(diǎn)，梁端距穩(wěn)定，能夠?yàn)椴擅簷C(jī)，前后刮板輸送機(jī)提供充足空間，并保證了有較為順暢的行人通道和通風(fēng)斷面。

從支護(hù)性能上分析，伸縮桿式過渡支架的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)采用了導(dǎo)桿，取代了傳統(tǒng)的正四連桿或反四連桿，導(dǎo)桿與底座箱體尺寸合理配合，導(dǎo)桿在箱體上下相對運(yùn)動過程中，縱向尺寸和橫向尺寸不變，從而在理論上保證支架在不同高度位置，梁端距不變。支架設(shè)計有內(nèi)伸式伸縮梁，推力達(dá)到247kN，最大伸縮量為800mm，伸縮行程大于割煤步距，能夠保證超前（采煤機(jī)割煤前）及時支護(hù)因片幫暴露的頂板或采煤機(jī)割過后新暴露出的頂板，護(hù)幫板可以防止煤壁片幫，在煤壁少量片幫時還可以向外伸直防止頂煤冒落。

由數(shù)值計算分析結(jié)果和現(xiàn)場測試可知，上端頭煤體所承受的壓力比工作面平均應(yīng)力高1.2倍左右，31111工作計算所需的最大支護(hù)阻力為4590kN，則上端頭所需的最大支護(hù)阻力為4590×1.2=5508kN<6400kN。因此，31111工作面上端頭過渡支架支護(hù)阻力滿足需要。

六、結(jié)語

通過采用CDEM數(shù)值模擬分析和計算，得到了裴溝煤礦31111綜放工作面端頭頂板的應(yīng)力分布，驗(yàn)證了工作面支架和過渡支架的適應(yīng)性，可以得到如下結(jié)論：

1.工作面煤壁超前20～30m范圍內(nèi)是支承壓力影響區(qū)，應(yīng)力集中系數(shù)約為2，其中工作面中部應(yīng)力集中程度最高，工作面上端頭位置應(yīng)力值小于工作面中部，為工作面平均應(yīng)力值的1.2倍。

2.采用頂板結(jié)構(gòu)分析估算法和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)計算，工作面支架工作阻力分別為4032KN和4590KN，ZF6400/19/32型支架能夠滿足31111工作面頂板支護(hù)的要求。

3.上端頭所需的最大支護(hù)阻力為5508KN，ZFG-6400/21/32型過渡支架能夠滿足31111工作面上端頭頂板支護(hù)的要求。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

趙延甫（1983.10-），男，漢族，河南省鞏義市，大學(xué)本科，副主任科員，研究方向：采礦工程。

李飛越（1969.9-），男，漢族，河南永城市，研究生，工程師，研究方向：煤礦安全管理。