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        兩柱掩護(hù)式支架工作面圍巖穩(wěn)定性研究

        2021-10-11 07:06:12靳亞強(qiáng)
        2021年10期
        關(guān)鍵詞:老頂冒頂端面

        靳亞強(qiáng)

        (潞安化工集團(tuán)有限公司 古城煤礦,山西 長治 046000)

        我國放頂煤開采工作面廣泛使用的是四柱式放頂煤液壓支架,但是相較于兩柱掩護(hù)式支架,四柱式支架前后立柱受力不均勻,阻力差別大,支架梁端的水平支撐力較小,對端面頂煤的控制能力差,支架的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜[1-2]。而兩柱掩護(hù)式支架移架速度快,調(diào)整范圍大,重復(fù)支撐頂板的次數(shù)少,對不穩(wěn)定頂板有較強(qiáng)的適應(yīng)性,并且具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。這種架型的液壓支架在我國煤礦中也有應(yīng)用的歷史,獲得了比較好的經(jīng)濟(jì)效益。

        1 工程概況

        某礦4301綜放工作面位于四采區(qū)淺部,工作面面長176 m,推進(jìn)長度667 m,工作面標(biāo)高-189.0~-243.5 m。埋藏深度338.03~293.22 m。

        工作面所采煤層為下二疊統(tǒng)山西組底部之下煤3,煤層產(chǎn)狀平緩,裂隙發(fā)育,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,煤層厚度為5.85~9.40 m,平均厚度8.2 m,沿工作面傾向煤層傾角為4~9°,工作面推進(jìn)方向煤層傾角為3~10°,平均4°。

        2 數(shù)值模擬研究

        本節(jié)通過UDEC軟件建立模型。模擬煤層厚度為8.2 m,直接頂為厚度5.3 m的粉砂巖和4.6 m的細(xì)砂巖,偽頂為厚度0.6 m的泥巖,老頂為厚度13.1 m的中砂巖,直接底為厚度5.6 m的粉砂巖,偽底為厚度0.8 m的泥巖,老底為厚度10.4 m的中砂巖,上覆巖層厚度為15 m。模型長度140 m,高度55 m,模擬采深300 m,模型如圖1所示。

        模型中巖體設(shè)為均勻彈性體,節(jié)理變形破壞模型為摩爾-庫侖模型,模型下部邊界固定,兩側(cè)邊界固定。數(shù)值模擬中煤巖層力學(xué)參數(shù)如表1、2所示。

        圖1 數(shù)值模擬模型

        表1 塊體力學(xué)參數(shù)

        表2 接觸面力學(xué)參數(shù)

        2.1 方案的確定

        根據(jù)研究目的與研究的內(nèi)容,兩柱式與四柱支頂式液壓支架頂梁載荷分布形式如圖2所示,兩種支架的額定工作阻力都設(shè)為6 800 kN。

        模擬分析時(shí)采取方案在工作面實(shí)際煤巖力學(xué)條件下,依據(jù)支架立柱在工作高度時(shí)的前傾角度-80°為基準(zhǔn),變化立柱角度為70°和90°。

        圖2 支撐掩護(hù)式液壓支架頂梁載荷分布

        2.2 支架水平力的變化對端面頂煤穩(wěn)定性的影響

        由模擬結(jié)果分析可知,液壓支架立柱前傾角度不同,支架所能承受的水平力也不相同。兩柱式支架立柱達(dá)到額定工作阻力6 800 kN,當(dāng)前傾角分別為70°、80°、90°時(shí),水平方向分力為:2 325.7 kN、1 180.8 kN、0 kN;四柱式支架受其自身結(jié)構(gòu)的限制,支架能提供的有效水平力很小,立柱只有90°一種位態(tài)(考慮到四柱式支架也可以提供一定的水平工作阻力,在模擬過程中取立柱角為88°)。

        1) 老頂初次來壓期間支架對端面頂煤的控制效果。由圖3可知,四柱掩護(hù)式支架與兩柱式掩護(hù)式支架立柱前傾角為90°時(shí),兩支架支護(hù)的端面頂煤均發(fā)生了嚴(yán)重的片幫與冒頂,冒頂量分別為417 mm和513 mm。隨著立柱前傾角度的變化,兩柱式支架的控頂效果發(fā)生顯著改變,見圖3(c)、(d);立柱前傾角度為70°時(shí),工作面基本未發(fā)生片幫、冒頂;立柱前傾角度為80°時(shí),工作面發(fā)生了輕微的片幫、冒頂情況。

        2) 老頂周期來壓時(shí),兩種支架對端面頂煤的控制效果。由圖4可知,老頂周期來壓時(shí)的礦壓顯現(xiàn)較初次來壓相對緩和。四柱掩護(hù)式支架支護(hù)時(shí),片幫與冒頂較為嚴(yán)重。對于兩柱式支架,隨著立柱前傾角度的變化,控頂效果也不相同。立柱前傾角度為70°時(shí),工作面基本未發(fā)生片幫、冒頂;立柱前傾角度為80°時(shí),工作面發(fā)生了輕微的冒頂;立柱前傾角度為90°時(shí),工作面片幫、冒頂情況十分嚴(yán)重。

        圖3 初次來壓期間支架控頂效果

        圖4 周期來壓期間支架控頂效果

        3 結(jié) 語

        1) 立柱前傾角度不同,影響支架上方頂煤的運(yùn)移規(guī)律及工作面端面頂煤的穩(wěn)定性。

        2) 兩柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架能提供較大的向前水平力,這將有利于維護(hù)端面頂煤的完整性,有利于使液壓支架處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

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