韓文龍

(大同煤礦集團有限責(zé)任公司安全監(jiān)管五人小組管理部，山西 大同 037003)

0 引言

在我國厚煤層和特厚煤層開采過程中，工作面支架立柱收縮、壓壞等事故時有發(fā)生[1]。針對我國煤礦生產(chǎn)實踐的需求，國內(nèi)許多學(xué)者針對淺埋特厚煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、液壓支架工作特性和液壓支架產(chǎn)生的事故特征及原因進(jìn)行了研究并取得了許多成果[2]，但對于特厚煤層工作面液壓支架的合理支護強度取值仍然缺乏有效的確定方法，特別是一次采全高的特厚煤層綜放工作面開采。而研究工作面上方覆巖的移動特征和工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，是確定支架合理支護強度的前提。

因此，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，采用UDEC離散元分析方法，分析了不同支護強度條件下工作面上方覆巖移動規(guī)律，通過擬合分析工作面頂板最大沉降量隨支架支護強度的變化關(guān)系，進(jìn)而確定出液壓支架支護強度的最優(yōu)取值范圍，以此為安全采煤生產(chǎn)提供借鑒。

1 液壓支架合理支護模型研究

1.1 地質(zhì)概況

以同煤某礦綜放工作面為研究對象，該礦主采煤層為二水平的11#、12#、13#煤層，采用一次采全高低位放頂煤開采。其中，工作面埋深為310～380 m，為淺埋煤層，煤層厚度為5.5～9.5 m，平均厚度為7.3 m。頂板主要參數(shù)見表1。

表1 頂板主要參數(shù)

1.2 模型建立

UDEC(Universal Distinct Element Code)作為一款新發(fā)展起來的計算分析程序，以離散單元法為其基本理論，該方法對于模擬非線性力學(xué)行為的非連續(xù)材料在靜載或動載作用下的響應(yīng)過程非常的適用，在巖土工程中得到了廣泛應(yīng)用[3]。本文采用UDEC離散元軟件，針對煤層開采過程中巖層移動及礦壓顯現(xiàn)特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

根據(jù)地質(zhì)勘探資料顯示，工作面的主要含煤地層有20多層，為了簡化分析模型，本次選取煤層底板和頂板以上覆巖地層作為研究對象，共17層。經(jīng)過分析判斷本煤系地層中含有兩層關(guān)鍵層，在計算模型中關(guān)鍵層與其他較薄地層不再劃分水平節(jié)理，而對關(guān)鍵層以外的其他厚度為5 m及以上的地層需要劃分水平節(jié)理，以便于提高運算速度和保證計算精度，從而清晰地分析覆巖移動破壞規(guī)律以及煤層和頂?shù)装鍛?yīng)力分布狀態(tài)。考慮到計算邊界效應(yīng)的影響，模型計算范圍取走向×高度=500 m×120.6 m，煤層平均埋深取266.6 m，考慮到開采邊界的影響，煤層兩側(cè)各設(shè)100 m的邊界保護煤柱。模型共劃分7 871個塊體，35 874個單元和44 648個結(jié)點，所建立的離散元計算模型，如圖1所示。

圖1 離散元計算模型

模型左右邊界施加法相約束；底部邊界施加固定約束條件；將基巖以上表土地層換算成等效荷載，均勻施加在模型上表面[4-5]。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果可知，模型中各含煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)，見表2；計算模型中各地層的節(jié)理力學(xué)參數(shù)見表3。

表2 模型中含煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 模擬方案說明

重點探討淺埋特厚煤層工作面液壓支架不同支護強度條件下工作面覆巖移動特征，分析工作面覆巖沉降與液壓支架支護強度之間的關(guān)系，進(jìn)而確定合理的液壓支架支護強度。具體方案是利用UDEC的初應(yīng)力計算功能，產(chǎn)生重力場，模擬未開挖前的巖層原始狀態(tài)；一次性開挖至模型中心位置，并在工作面范圍內(nèi)設(shè)置液壓支架支護模擬單元，分別模擬分析液壓支架支護強度為0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa工況下工作面上覆巖層的運移情況。

表3 模型中煤巖層節(jié)理力學(xué)參數(shù)

2 基于UDEC的液壓支架強度模擬研究

2.1 不同支護強度下覆巖移動特征

根據(jù)前面建立的支架與圍巖相互作用的數(shù)值模型，分別研究不同支護強度下頂板下沉量的變化情況，如圖2所示。

由圖2分析可知，隨著支護強度不斷增大，工作面頂板的下沉量得到了有效的控制。液壓支護強度為0.2 MPa時，工作面頂板最大沉降量約2 300 mm，工作面斷面收縮變形量較大，無法滿足生產(chǎn)需求；當(dāng)支護強度為0.4 MPa時，工作面頂板最大沉降量約1 400 mm，工作面頂板沉降變形得到很大程度控制，斷面面積基本能滿足生產(chǎn)需求。當(dāng)支護強度為0.8 MPa，沉降量控制在600 mm，工作面上方頂板得到了較好控制，工作面直接頂被液壓支架切斷，將會降低工作面支架壓力，有利于控頂，斷面面積能夠滿足正常生產(chǎn)需求。當(dāng)工作面支架支護強度大于0.8 MPa時，尤其是支護強度達(dá)到1.2 MPa，頂板的下沉量降低為200 mm以下，約為120 mm。支架強度由1.2 MPa增加至1.6 MPa以上后工作面頂板下沉量的減小約為20 mm，減幅約為16.7%。

a-支護強度為0.2 MPa；b-支護強度為0.4 MPa；c-支護強度為0.6 MPa；d-支護強度為0.8 MPa；e-支護強度為1.0 MPa；f-支護強度為1.2 MPa；g-支護強度為1.4 MPa；h-支護強度為1.6 MPa圖2 不同支護強度條件下頂板下沉情況

2.2 沉降量的計算研究

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可得到工作面頂板最大下沉量隨支護強度的變化關(guān)系，進(jìn)而可擬合得出支護強度p與工作面頂板下沉量w的關(guān)系曲線，如圖3所示，其關(guān)系表達(dá)式為

(1)

圖3 不同支護強度條件下頂板下沉量

由圖3分析可知，當(dāng)采高一定時，控頂范圍之內(nèi)頂板的最大下沉量與支架的支護強度呈指數(shù)關(guān)系變化；當(dāng)支架支護強度從0.2 MPa增加至1.2 MPa時，控頂范圍之內(nèi)頂板的下沉量從2 300 mm減小到200 mm，減少幅度為90%。當(dāng)支架的支護強度從1.2 MPa增加至1.6 MPa時，控頂范圍之內(nèi)頂板的最大下沉量從200 mm減小到100 mm，減少幅度相對很小，因此支架支護強度對控頂范圍之內(nèi)頂板的下沉量具有明顯的控制作用，但是有一定的限度，支護強度達(dá)到1.2 MPa之后，工作面頂板下沉量達(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定。

2.3 模擬結(jié)果分析

液壓支架支護強度大于0.8 MPa以上時，工作面范圍內(nèi)的斷面空間能夠滿足生產(chǎn)需求；工作面頂板最大沉降量與液壓支架支護強度之間呈指數(shù)變化關(guān)系，當(dāng)支護強度超過1.2 MPa時，頂板最大沉降量變化幅度較小，約為16.7%。

3 結(jié)論

(1)建立了基于UDEC離散元數(shù)值分析的液壓支架支護強度與工作面覆巖移動特性研究模型，并設(shè)置了模型中含煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)。根據(jù)模擬結(jié)果來看，該模型的建立比較合理。

(2)通過軟件研究了液壓支架不同支護強度條件下工作面頂板覆巖的運移沉降情況，得出液壓支架支護強度大于0.8 MPa以上時，工作面范圍內(nèi)的斷面空間能夠滿足生產(chǎn)需求；工作面頂板最大沉降量與液壓支架支護強度之間呈指數(shù)變化關(guān)系，當(dāng)支護強度超過1.2 MPa時，頂板最大沉降量變化幅度較小，約為16.7%；考慮到生產(chǎn)安全和經(jīng)濟效益兩方面的影響，建議該工作面頂板的支護強度在0.8～1.2 MPa之間選取。