確定支架合理支護強度的數值模擬方法

李春睿

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013;2.煤炭科學研究總院巖石力學與支護專業委員會,北京市朝陽區,100013)

確定支架合理支護強度的數值模擬方法

李春睿1,2

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013;2.煤炭科學研究總院巖石力學與支護專業委員會,北京市朝陽區,100013)

以支架和圍巖的相互作用關系為理論依據,利用FLAC3D數值模擬軟件對液壓支架合理支護強度的確定方法進行了研究,提出了兩種方法來確定液壓支架的支護強度,一種是以工作面控頂區巖(煤)體的下沉量來判斷支架的合理支護強度,另一種是以頂板(煤)對支架的直接作用力來判斷合理的支護強度,并結合現場應用實例說明了兩種方法的合理性。

液壓支架 支護強度 數值模擬 控頂區域

目前,對于確定液壓支架合理工作阻力的方法主要有基于巖重估算的倍重系數法、基于大量實測結論的統計類比法、基于頂煤體損傷力學的解析模型法和基于頂板分類的巖層結構法等。近年來,隨著計算機硬件及軟件技術的發展,基于計算機仿真技術的數值模擬法在解決采礦工程的問題中得到了廣泛的應用,然而在確定液壓支架的合理支護強度時,數值模擬過程中參數的選擇、模擬方案的確定與結論密切相關。

2 數值模擬方法確定工作阻力

2.1 利用控頂區巖體的下沉量來判斷

圖1 理想結構模型

利用控頂區煤(巖)體的下沉量來判斷合理的支護強度,即控頂區下沉法。理想結構模型見圖1。在煤層開采時,分別對工作面控頂區域上方的煤(巖)體施加不同支護強度載荷(一般從0～2.0 MPa),并監測不同載荷時A、B、C、D、E 5個點處頂板(煤)的位移情況。為了避免連續介質方法造成的邊界效應影響,刪除掉采空區后方已破壞的煤巖體區域。

圖2 數值模擬模型

為了更詳盡地說明該方法,以某礦工作面煤巖體的物理力學參數為依據建立模型,某一時態圍巖的垂直應力云圖見圖2,考慮到支架的控頂區域在5 m左右,因此分別監測了距離工作面煤壁1 m、2 m、3 m、4 m、5 m處頂板的A、B、C、D、E 5個點,圖2中的箭頭為某時刻頂板的下沉位移矢量。

結合該礦區已有回采面的支護強度范圍,此次模擬的支護強度q分別取0 MPa、0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa和1.6 MPa,獲得前述5個點處的頂板下沉量數據,不同支護強度作用下的頂板下沉量見表1,并分析了頂板下沉量與支架支護強度之間的關系曲線,見圖3。

圖3 控頂區域的頂板下沉量與支架支護強度關系曲線

表1 不同支護強度作用下的頂板下沉量

數值模擬表明,隨著支護強度的增大,頂板下沉位移量逐漸減小,當支護強度大于1.2 MPa后,E點處巖體甚至向上移動。進一步分析可以得知,當支架支護強度大于0.6 MPa時,頂板位移量隨支架強度增加已不再發生明顯的變化,即當支架支護強度大于0.6 MPa時,能夠很好地控制該頂板,因此該工作面最后確定的合理支護強度為0.6 MPa。

2.2 利用支架頂梁的受力情況來判斷

利用支架頂梁的受力情況來判斷合理的支護強度,即支架頂梁受力法。需要建立液壓支架的數值模型,某四柱式液壓支架模型見圖4。在建立該數值模型時,煤巖層采用應變軟化模型(Strain-Hardenging/Softening Model),而支架部分采用了各向同性的彈性模型(Elastic Isotropic Model),這樣可以避免計算過程中支架被壓壞,計算時分別對液壓支架頂梁處A、B、C、D、E 5個點的受力情況進行監測,根據監測得到的頂梁受力變化情況來判斷液壓支架的合理工作阻力。

同樣以某礦工作面煤巖體的物理力學參數為依據建立模型,某一時態圍巖的垂直應力云圖見圖5,圖5中的曲線為計算過程中支架頂梁的受力變化曲線,由于5個點處的曲線重合,因此可以判斷支架頂梁承受著均布的荷載。從頂梁的應力變化曲線中可見,隨著計算時步的增加,該工作面液壓支架的頂梁受力狀態是逐漸增加的過程,直至增加到0.78 MPa時保持平穩狀態,據此,液壓支架選型時支護強度取0.8 MPa左右的結論。

圖4 某四柱式液壓支架理想結構模型

圖5 某一時態圍巖的垂直應力數值模擬模型

根據配套尺寸、支架頂梁長度、空頂距算出支架工作阻力:

式中:P——支架工作阻力,kN;

q——支架的支護強度,取0.8 MPa;

LK——空頂距,取0.36 m;

LD——頂梁長度,取4.53 m;

B——支架寬度,取1.5 m。

根據上面分析結果,P=5868 kN。作為4柱液壓支架,每個立柱額定阻力為1467 kN。因此安全閥開啟壓力為35.32 MPa。

圖6 運算10000時步液壓支架立柱受力情況

為了進一步分析上述由頂梁間接得到的支護阻力是否準確,又監測了液壓支架立柱上所受到的壓力變化情況,運算10000時步液壓支架立柱受力情況見圖6,從圖6曲線可見,立柱所受壓力由0 MPa逐漸增加,當增加至36 MPa時,立柱所受力已達最大值,此后繼續運算發現,由于上覆巖體斷裂的影響,液壓支架立柱所承受的壓力有所波動,但最大值仍然沒有超過36 MPa,說明安全閥開啟壓力為35.32 MPa基本能夠滿足要求。

3 現場應用實例與驗證

3.1 控頂區下沉法的應用與驗證

水簾洞煤礦煤層平均埋深370 m,煤層平均厚度為12.2 m,煤層傾角為5～6°,煤層的硬度系數f為3.02;直接頂厚度為3.51 m,f為4.03;老頂厚度為7.9 m,f為5.6。根據煤巖層物理力學條件,建立數值模型并應用控頂區下沉法進行了數值模擬,得到綜放支架支護強度為0.9 MPa。根據支護強度(q)、支架控頂長度(LK)、端面距(LD)和支架寬度(B)計算得出支架工作阻力為6377 kN,選用ZF6400/17/32型低位放頂煤液壓支架。

在現場對水簾洞礦ZF2801工作面進行了礦壓觀測,觀測了初期來壓和6個周期來壓。初次來壓時最大工作阻力為6586.8 kN,時間加權平均工作阻力為3927.6 kN;周期來壓時最大工作阻力為5940.4 kN,時間加權平均工作阻力為3424.6 kN;從監測結果及現場應用情況可以看出支架工作阻力選擇得比較合適,能夠很好地適應工作面的正常生產。

3.2 支架頂梁受力法的應用與驗證

照金煤礦煤層平均埋深350 m,煤層平均厚度為9 m,采煤機割煤高度2.6 m,放煤高度6.4 m,煤的硬度系數f為2.5。直接頂一般厚3 m,粉細砂巖,局部為泥巖,屬不堅實至中等堅實頂板。基本頂為5.03～19.81 m的粗砂巖,較為堅硬。根據煤巖層物理力學條件,建立數值模型并應用支架頂梁受力法進行了數值模擬,得到綜放支架支護強度為0.8 MPa左右。該煤層選擇5868 kN的四柱式放頂煤液壓支架,安全閥開啟壓力35.32 MPa,能夠滿足頂板要求。

工業試驗階段,對照金礦101綜放工作面進行了礦壓觀測,觀測初期來壓和3個周期來壓。最大工作阻力為5142 kN(0.781 MPa),時間加權平均工作阻力為3597 kN(0.735 MPa)。通過模擬可知,與數值模擬結論的比值分別為87.62%、61.29%。根據現場反饋的情況,在該工作面開始使用的ZF5200/18/28型號支架的工作阻力略有偏小,來壓期間安全閥開啟頻繁,可見,此次選擇的5868 kN的液壓支架較為合理,能夠滿足安全生產要求。

4 結語

控頂區下沉法是主動向頂板(煤)施加作用力,觀測頂板(煤)的下沉量,當所施加的作用力能夠使頂板(煤)控制在一定范圍內時,則所施加的力為合理的支護強度;支架頂梁受力法是建立了支架模型,由支架被動地承受頂板(煤)的作用力,當支架的頂梁所承受的力達到平穩時,此時的壓力值視為合理的支護強度。

如果側重于研究支架初撐力的變化對頂板(煤)的破壞作用效果、分析頂板(煤)的下沉量,選擇控頂區下沉法會更好一些;如果側重于研究支架立柱的受力狀態、支架與圍巖的整體性受力關系、研究架前空頂距與片幫的關系,可選擇支架頂梁受力法。

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Numerical simulation to determine rational supporting strength of roof supports

Li Chunrui1,2
(1.Coal Mining&Designing Branch,Tiandi Coal Co.,Ltd,Chaoyang,Beijing 100013,China;2.Rock Mechanics and Support Professional Committee,Coal Research Institute Chaoyang,Beijing 100013,China)

Research is conducted by taking the interaction between roof supports and the wall rock as the theoretical basis and using the FLAC3D to determine the rational supporting strength of hydraulic roof supports,which results in two methods-one using the level of subsidence of rock(or coal)mass in the roof control zone at the coalface and the other using the direct force of roof on the supports for determining the rational supporting strength.The rationality of the two methods is demonstrated in field application.

hydraulic roof support,supporting strength,numerical simulation,roof control zone

TD355.41

A

＊“十一五”國家科技支撐計劃重點項目課題(2008BAB36B01)

李春睿(1980-),男,漢,吉林九臺人,博士。2003年畢業于遼寧工程技術大學,現就職于天地公司開采設計事業部工作。

(責任編輯 張艷華)