甄亞東 張 鵬 庫永亮 折志 龍

（中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，北京 102400）

0 引言

后安煤礦位于山西省朔州市平魯區(qū)陶村鄉(xiāng)王高登村南，屬山西省具有較大規(guī)模的民營礦井。后安煤礦可采煤層有4、9、11煤層，4和9煤層已接近采空，即將對11煤層進(jìn)行開采。11煤和9煤的距離較近，平均約5m，屬近距煤層。由于特殊地質(zhì)條件，11煤的工作面走向與9煤方向垂直。這就對11煤的液壓支架支護(hù)設(shè)備提出了更高的要求。但是類似的開采經(jīng)驗(yàn)較少，需要采取多種方式對液壓支架支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證。

1 地質(zhì)情況

9號煤層：位于太原組下部，煤層厚度12.88m～18.18m，平均為15.72m。含夾矸2～10層，一般為3～6層，厚度一般在0.07m～0.52m，巖性以高嶺巖為主，其次為粉砂巖和炭質(zhì)泥巖。煤層頂板為中細(xì)粒砂巖，底板為細(xì)粒砂巖或砂質(zhì)泥巖，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。

11號煤層：為太原組底部的主要煤層，距9號煤層2.26m～10m。煤層厚度3.59m～8.13m，平均為4.9m。結(jié)構(gòu)簡單-較簡單，夾矸0～4層，夾矸厚度0.2m～0.8m，巖性多為炭質(zhì)泥巖和高嶺巖，煤層頂板以灰?guī)r為主，常有泥巖偽頂，底板為灰?guī)r和細(xì)砂巖。屬穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。本層層位穩(wěn)定，頂板巖性特殊，易于識別。11號煤層埋藏深度139.5m～256.8m，平均210.68m。9號、11號煤層為黑色，條痕為深黑色或褐黑色，硬度f:2～3。11號煤層偽頂為泥巖或炭質(zhì)泥巖，直接頂板為石灰?guī)r或砂質(zhì)泥巖。

2 液壓支架選型

2.1 支架形式確定

兩柱掩護(hù)式支架較四柱支撐掩護(hù)式支架重量輕、伸縮比大，升、降、移架速度快，頂梁合力作用點(diǎn)靠近煤壁，有利于維護(hù)頂板的完整性；四柱支撐掩護(hù)式支架4個立柱不可能同時受力，存在受力不均的問題，兩柱式支架支護(hù)效率要高于四柱式支架；盡管兩柱掩護(hù)式支架底板比壓要高于四柱支撐掩護(hù)式支架，但抬底座機(jī)構(gòu)的應(yīng)用抵消了兩柱掩護(hù)式支架在這方面的劣勢；因此，后安煤礦大采高工作面優(yōu)選兩柱掩護(hù)式支架形式[1]。

2.2 支架中心距確定

在支架采高一定的前提下，支架越寬，支架的穩(wěn)定性越好，所以現(xiàn)在的大采高兩柱掩護(hù)式支架向大中心距方向發(fā)展[2]。采用1.75m、2.05m的中心距后，不但可以大大提高支架的穩(wěn)定性，而且可以減少支架數(shù)量，簡化電液控制系統(tǒng)，降低設(shè)備投入成本，加快移架速度。綜合考慮后安煤礦的井下運(yùn)輸條件，優(yōu)選支架中心距為1.75m。

2.3 支護(hù)強(qiáng)度確定

支架支護(hù)強(qiáng)度核算主要采用2種方法來分析，即：①建立在大采高支架工作阻力經(jīng)驗(yàn)之上的估算法[3]；②建立在支架與圍巖相互作用關(guān)系基礎(chǔ)之上的數(shù)值模擬方法。

2.3.1 經(jīng)驗(yàn)估算法

經(jīng)驗(yàn)公式（巖重法）Ps=nrH；

式中：Ps—支護(hù)強(qiáng)度，kN/m2；n—支架載荷相當(dāng)于采高巖重的倍數(shù)，取8；r—頂板巖石容重，2.6kN/m3，2.6；H—支架最大高度。

支護(hù)強(qiáng)度：

Ps=9.8×8×2.6×5.5=1121.12kN/m2=1.12MPa

2.3.2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)以山西朔州平魯區(qū)后安煤礦兩層可采煤層9#煤和11#煤為工程背景，為分析開采過程中覆巖三維宏觀力學(xué)性質(zhì)變化以及頂板移動變形特征，采用大型非線性三維數(shù)值計算軟件FLAC3D對其進(jìn)行模擬計算。

2.3.2.1 邊界條件設(shè)定

上部邊界條件：該模型中在Z軸方向上，按照地質(zhì)綜合柱狀圖選定11號煤層底板以下50m，頂板以上取105m作為數(shù)值模擬模型，模型頂部直至地表90m巖層以均布荷載的應(yīng)力邊界條件代替，由下式計算。

式中：q-均布載荷,MPa；γ-巖石容重，N/m3；h-巖石厚度，m；g-重力加速度，kg/N。

下部邊界條件：模型的底部邊界設(shè)置為位移邊界條件，在x方向可以運(yùn)動，y方向固定的鉸支，通過速度固定邊界，即速度υ=0。

左側(cè)和右側(cè)邊界條件：該模型的左側(cè)和右側(cè)邊界均為實(shí)體煤和巖體，簡化為位移邊界條件，在y方向上可以運(yùn)動，x方向上固定的鉸支，即υ=0。模型邊界條件如圖1所示。

圖1 模型邊界條件示意

2.3.2.2 建立模型

相關(guān)地層及巖性結(jié)構(gòu)信息主要來源于山西朔州平魯區(qū)后安煤炭ZK2號、ZK1-3號、ZK3-2號及井田地層綜合柱狀圖。為計算方便對地層進(jìn)行略微調(diào)整，適當(dāng)簡化，得出進(jìn)行數(shù)值模擬計算部分的地層分布。

模擬巖層區(qū)域由下至上為11煤底板40m至煤層頂板105m，形成長為500m、寬為300m、高160m的FLAC3D數(shù)值模擬模型，如圖2所示。整個模型共劃分為252000個單元，246000個節(jié)點(diǎn)。在減少單元網(wǎng)格數(shù)量，提高運(yùn)算速度的同時，為保證計算精度，按區(qū)域需要考慮來調(diào)整單元網(wǎng)格的疏密程度。

圖2 數(shù)值模擬初始模型示意圖

9煤工作面沿模型X方向布置，在Y方向邊界50m處開切眼，模型9煤工作面推進(jìn)200m后另一側(cè)仍將有50m邊界煤柱，2個相鄰工作面間煤柱為30m。11煤工作面沿模型Y方向布置，因考慮到上層煤柱的影響，選擇在X方向邊界30m處開切眼，推進(jìn)320m后工作面進(jìn)入9煤右側(cè)工作面采空區(qū)下方即停止計算。

從圖3～圖4中可看出，煤層開挖后，圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象和卸壓現(xiàn)象，前者發(fā)生在工作面及切眼兩端，其應(yīng)力最大值一般位于工作面煤壁前方與切眼后方不遠(yuǎn)處，隨著推進(jìn)長度的增加，應(yīng)力集中程度不斷加大，范圍擴(kuò)大并向煤柱深部轉(zhuǎn)移，底板應(yīng)力也向煤柱內(nèi)部轉(zhuǎn)移，進(jìn)入煤體中，應(yīng)力集中程度逐步減弱；后者發(fā)生在采空區(qū)正上方、正下方巖體中，同時在煤壁后方不遠(yuǎn)處，由于塑性破壞造成應(yīng)力釋放，也出現(xiàn)卸壓現(xiàn)象[4]。

圖3 工作面垂直布置情況

圖4 工作面開采180m（E：10的冪次方）

2.3.2.3 支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)證

支架的支護(hù)強(qiáng)度并不是越大越好，支架支護(hù)強(qiáng)度過大，會降低支架上方頂板的完整程度，增加設(shè)備的采購成本，支架支護(hù)強(qiáng)度的大小存在一個合理的范圍。通過FLAC3D軟件，預(yù)測不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板下沉量，從而繪制液壓支架支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量的“P-ΔL”曲線[5]。

隨著支架支護(hù)強(qiáng)度的增加，頂板的下沉量逐漸減小，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度增加到一定值后，支護(hù)強(qiáng)度再增加，對頂板下沉量影響較小，但低于此支護(hù)強(qiáng)度時，支護(hù)強(qiáng)度的減小對頂板下沉量的變化影響較大，這個支護(hù)強(qiáng)度即可選定為支架合理支護(hù)強(qiáng)度。由支架支護(hù)強(qiáng)度P與頂板最終下沉量ΔL關(guān)系曲線（圖5）可知，當(dāng)支護(hù)強(qiáng)度為1.3MPa～1.4MPa時，其頂板下沉量隨支護(hù)強(qiáng)度的增加而減少的程度明顯下降，結(jié)合應(yīng)力及破壞區(qū)圖分析，確定支架的合理支護(hù)強(qiáng)度區(qū)間應(yīng)為1.3MPa～1.4MPa。

圖5 頂板下沉量與支護(hù)強(qiáng)度變化曲線

綜上，確定后安煤礦近距煤層垂直布面的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度為不低于1.3MPa。

2.4 支護(hù)阻力確定

T=P（L+C）×B/K

式中：T— 工作阻力，kN；P— 支護(hù)強(qiáng)度，1300kN/m2；L— 頂梁長度，5m；C— 頂梁前端到煤壁的距離，0.7m；B— 中心距，1.75m；K— 支護(hù)效率，取0.9。

T=1300×（5+0.7）×1.75/0.9=14408kN，圓整取15000kN。

最終，確定后安煤礦11#煤層?xùn)|采區(qū)液壓支架型號為ZY15000/28/55型兩柱掩護(hù)式液壓支架。

3 周邊類似礦井對比

后安煤礦周邊礦井有平朔東露天礦和平朔二號井。平朔東露天礦對11#煤層采用露天開采，揭露后的記錄顯示，11#煤層頂板以灰?guī)r為主，松散易碎。煤層厚度穩(wěn)定。東露天礦與后安煤礦距離較近，煤層地質(zhì)情況與后安煤礦相似度較高。平朔二號井對11#煤層采用井工開采，工作面使用ZY11000/25/55D型兩柱掩護(hù)式液壓支架，上下層工作面采用順向布置，共開采7個工作面。開采過程中的記錄顯示，11#煤層頂板壓力適中，11000kN工作阻力支架滿足工作面開采使用。

4 工作面過垂直煤柱的安全措施

在距離垂直煤柱3m～5m時提前對工作面液壓支架進(jìn)行調(diào)整，保證支架具有較好的工作狀態(tài)。監(jiān)測工作面礦壓，控制推進(jìn)速度，調(diào)整周期來壓位置，使工作面老頂提前破斷，確保液壓支架在經(jīng)過上層煤垂直煤柱期間不出現(xiàn)老頂周期來壓。

在距離垂直煤柱 3m～5 m 時，對工作面進(jìn)行調(diào)斜，避免液壓支架同一時刻進(jìn)出垂直煤柱，縮短礦壓影響范圍。

加強(qiáng)工作面頂板和底板管理，出垂直煤柱時必須跟機(jī)移架、擦頂移架，嚴(yán)格接頂。采煤機(jī)割煤時底板平整，避免出現(xiàn)臺階和波浪起伏，防止支架傾倒事故。

控制液壓支架采高，不能過高或過低。一方面保證頂板壓力大時液壓支架立柱有足夠的伸縮量，避免壓死以及采煤機(jī)不能正常通過的問題； 另一方面又要避免因采高過大而導(dǎo)致懸頂?shù)辜艿膯栴}。

5 結(jié)論

后安煤礦地理位置屬于平朔地區(qū)，周邊的國興煤礦、國強(qiáng)煤礦、盧家窯煤礦等都有類似地質(zhì)情況。

通過經(jīng)驗(yàn)估算法和數(shù)值模擬法，綜合驗(yàn)證了后安煤礦11#煤層液壓支架工作阻力，最終確定為15000kN。

后安煤礦綜采項目填補(bǔ)了行業(yè)內(nèi)近距煤層垂直布面大采高開采的空白，為類似項目的開展提供了參考。