綜放工作面液壓支架支護(hù)阻力對(duì)頂煤冒放性影響的數(shù)值模擬研究

王吉廳(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂臨能化煤電綜合項(xiàng)目部，山西 臨縣 033200)

綜放工作面液壓支架支護(hù)阻力對(duì)頂煤冒放性影響的數(shù)值模擬研究

王吉廳
(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂臨能化煤電綜合項(xiàng)目部，山西 臨縣 033200)

根據(jù)龐龐塔礦北區(qū)5- 108綜放工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，通過FLAC3D軟件模擬液壓支架在不同支護(hù)阻力對(duì)頂煤冒放性的影響，采用模型中頂煤塑性區(qū)變化情況表示頂煤的冒放性。當(dāng)液壓支架支護(hù)阻力在6 000～8 000kN時(shí)，支架具有足夠的支撐力，不僅保障工作面安全，而且頂煤冒放性較好。若支架支護(hù)阻力小于該數(shù)值時(shí)，將無法滿足頂板支護(hù)要求；大于該數(shù)值時(shí)，支架支護(hù)效率變低，頂煤冒放性變差。模擬研究對(duì)于相似條件下工作面開采具有一定的參考意義。

綜放開采； FLAC3D； 支護(hù)阻力； 冒放性

1 前言

在綜放采場中，對(duì)于頂煤的開采，其本質(zhì)是利用礦山壓力以及頂煤和液壓支架相互關(guān)系，將完整的頂煤破裂為較小煤塊，通過放頂煤支架的放煤口輸送到工作面后部刮板輸送機(jī)，最終將頂煤采出。頂煤冒放性好壞對(duì)煤炭的采出率有很大影響。在放頂煤采場中，由于頂煤的存在，起到了直接頂?shù)淖饔茫绊懥松细矌r層的垮落和運(yùn)移，相比單一煤層開采，放頂煤采場“支架—圍巖”關(guān)系構(gòu)成了復(fù)雜的“老頂—直接頂—支架—底板”支撐體系。支架通過頂煤控制頂板，頂板壓力通過頂煤作用在支架頂梁上，頂煤冒放性好壞是綜放開采技術(shù)能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵[1～3]。

改善頂煤的冒放性，可以通過改變頂煤所處的應(yīng)力場環(huán)境來改善。頂煤在破碎過程中會(huì)形成4個(gè)區(qū)[4]，分別是初始破壞區(qū)(A)、破壞發(fā)展區(qū)(B)、裂隙發(fā)育區(qū)(C)、垮落破碎區(qū)(D)，如圖1所示。液壓支架支護(hù)力在4個(gè)區(qū)發(fā)展和變化的過程中起著重要的作用，如果支架支護(hù)阻力較低，頂煤與直接頂離層較大，出現(xiàn)拉伸破壞，容易出現(xiàn)“冒空”現(xiàn)象；支架阻力過高，容易造成破碎的煤體壓實(shí)，降低煤炭采出率，同時(shí)造成支架支撐效率低。所以充分利用液壓支架對(duì)頂煤的力學(xué)作用來改善頂煤的冒放性，對(duì)于提高放頂煤工作面產(chǎn)量具有重要的意義。

圖1 頂煤破壞分區(qū)示意圖

龐龐塔礦北區(qū)5- 108工作面在回采過程中，通過改變液壓支架的支護(hù)阻力改善頂煤的冒放性，從而提高煤炭的采出率。在本文中，選用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件，結(jié)合5- 108工作面的巖層柱狀圖，建立數(shù)值模擬模型，開挖煤層模擬5- 108工作面采場，在采場中施加不同支護(hù)強(qiáng)度，觀察模型中工作面位置剖面上頂煤塑性區(qū)的變化，分析不同支護(hù)阻力條件下頂煤冒放性能的差異。

2 工程概況

龐龐塔礦位于山西省河?xùn)|煤田中部，所在地行政隸屬山西呂梁臨縣管轄。礦井5- 108綜放工作面位于5#煤一采區(qū)上山北側(cè)，為本礦北區(qū)設(shè)計(jì)首采工作面，標(biāo)高為+385～+550m，走向長度約700m，傾向長度約236.5m，煤層平均厚度約為6.1m，工作面傾角約3°。該工作面采用一次采全高綜采放頂煤的采煤方法，其中機(jī)采高度2.7m，放煤厚度3.4m，全部垮落法管理頂板。5#煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 5#煤層頂?shù)装鍘r性

3 液壓支架支護(hù)阻力對(duì)頂煤冒放性的數(shù)值模擬研究

FLAC3D數(shù)值模擬軟件的分析基礎(chǔ)為有限差分法，是一種快速拉格朗日計(jì)算程序。軟件中相應(yīng)的本構(gòu)模型能夠?qū)崿F(xiàn)巖石材料的力學(xué)特性分析。巖石的抗壓強(qiáng)度較高，抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較低，其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性特征變化，可以根據(jù)彈塑性理論建立相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系模型，使用該軟件模擬回采過程中圍巖結(jié)構(gòu)變化特征和規(guī)律，可以在一定程度上為解決復(fù)雜的工程問題提供參考[5～6]。

3.1 建立模型

根據(jù)龐龐塔礦5- 108綜放工作面的實(shí)際開采條件，建立工作面回采的數(shù)值模擬模型。為了降低計(jì)算量同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確，建立的數(shù)值力學(xué)模型尺寸為長×寬×高=200m×100m×50m，根據(jù)表2中試驗(yàn)的巖石物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)力學(xué)模型中的相應(yīng)巖層進(jìn)行材料參數(shù)賦值。為了提高計(jì)算精度，細(xì)化準(zhǔn)備開采的5#煤層網(wǎng)格，圖2為三維模型及網(wǎng)格劃分。

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模擬三維模型及網(wǎng)格劃分

設(shè)定該模型邊界條件時(shí)，將模型的左右邊界固定，設(shè)置位移為零。約束模型的底部邊界，水平位移和垂直位移為零。為了減少計(jì)算量，模型未建立到地表，根據(jù)該工作面采深，依據(jù)海姆假說，按照原巖自重應(yīng)力大小，在模型上部邊界施加相應(yīng)的載荷。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

首先，使力學(xué)模型應(yīng)力初始化，計(jì)算至平衡狀態(tài)，然后根據(jù)5- 108工作面的實(shí)際回采過程在5#煤層位置開挖模型，在控頂區(qū)域施加不同反力，大小分別是0、2 000、4 000、6 000、8 000kN和10 000kN。計(jì)算完畢后，根據(jù)工作面位置相應(yīng)剖面頂煤塑性區(qū)的范圍，對(duì)比模擬結(jié)果，得到在不同支護(hù)阻力條件下頂煤冒放性能的變化。圖3為塑性區(qū)不同顏色代表的破壞方式，圖4為不同液壓支架支護(hù)阻力頂煤塑性區(qū)變化情況。

圖3 塑性區(qū)不同顏色示意圖

圖4 不同液壓支架支護(hù)阻力頂煤塑性區(qū)變化情況

從圖4中可以看出，當(dāng)支架支護(hù)阻力為0kN時(shí)，工作面的頂煤均為塑性破壞，這是由于頂煤下部沒有支撐，完全處于懸露的狀態(tài)，在礦山壓力的作用下，頂煤發(fā)生了較大范圍的拉伸和剪切破壞；當(dāng)支架支護(hù)阻力大小達(dá)到2 000kN時(shí)，與支架支護(hù)阻力為0kN的條件下模擬結(jié)果基本相同，由于頂煤受到的支撐力較小，主要應(yīng)力為礦山壓力，大范圍內(nèi)的頂煤發(fā)生塑形破壞，上部頂煤為拉伸和剪切破壞，下部頂煤主要為拉伸破壞，通過塑性區(qū)范圍可以看出，此時(shí)頂煤具有較好的冒放性，但由于支架缺乏有效的支撐力，無法保障工作面安全生產(chǎn)；當(dāng)支架支護(hù)阻力為4 000kN時(shí)，工作面的頂煤產(chǎn)生塑形破壞，主要破壞方式為剪切和拉伸破壞，但是由于支架支護(hù)阻力較大，在頂煤中出現(xiàn)零星的實(shí)體煤，但分布范圍較小，不會(huì)影響頂煤的冒放性；當(dāng)支架支護(hù)阻力達(dá)到6 000kN時(shí)，頂煤塑性區(qū)變化狀態(tài)與支護(hù)阻力為4 000kN時(shí)基本保持一致，工作面支架上方的煤體處于塑性破壞狀態(tài)，主要破壞方式為剪切和拉伸破壞，頂煤中實(shí)體煤更加集中，但被周圍完全破碎的煤體包圍，頂煤的冒放性沒有受到影響；當(dāng)工作面支架支護(hù)阻力為8 000kN時(shí)，支架上方的頂煤仍為塑性破壞，以剪切和拉伸破壞為主，隨著支護(hù)阻力的進(jìn)一步增大，頂煤中出現(xiàn)了整塊的未破壞煤體，由于被周圍破碎的煤體包圍，頂煤的冒放性表現(xiàn)較好；當(dāng)工作面支架支護(hù)阻力為10 000kN時(shí)，支架上方的頂煤仍為塑性破壞，以拉伸破壞為主，剪切破壞為輔，隨著支護(hù)阻力的進(jìn)一步增大，頂煤中出現(xiàn)了較大范圍沒有發(fā)生塑形破壞的煤體，由于范圍較大，直接影響了頂煤的冒放性。

對(duì)比以上模擬結(jié)果，在支架不同支護(hù)強(qiáng)度下，頂煤均表現(xiàn)出塑性破壞，其破壞以拉伸和剪切破壞狀態(tài)為主。所以，在放頂煤開采中，支護(hù)阻力不同，頂煤的冒放性不同。在一定的變化范圍內(nèi)，提高液壓支架的工作阻力，可以為工作面創(chuàng)造安全的生產(chǎn)空間，同時(shí)為工作面上方的頂煤提供足夠的支撐力，提高頂煤的冒放性，增加煤炭采出率。當(dāng)支護(hù)達(dá)到一定強(qiáng)度后，隨著支架工作阻力的進(jìn)一步增大，頂煤中實(shí)體煤的范圍將會(huì)不斷增加，影響到頂煤的冒放性，而且頂板管理難度增加，支架支撐效率降低。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，合理的液壓支架支護(hù)阻力，不僅保證工作面安全生產(chǎn)，也提高頂煤的冒放性。

4 結(jié)論

根據(jù)龐龐塔礦北區(qū)5- 108綜放工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，采用FLAC3D模擬軟件，對(duì)工作面液壓支架支護(hù)阻力對(duì)頂煤冒放性影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到以下結(jié)論。

(1)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)支架支護(hù)阻力在6 000～8 000kN時(shí)，雖然頂煤中存在一定范圍的實(shí)體煤，但不會(huì)影響頂煤的冒放性。該支護(hù)阻力大小有利于發(fā)揮液壓支架的工作性能，提高支撐效率，降低放煤難度。

(2)在放頂煤開采中，提高液壓支架支護(hù)阻力時(shí)，需要綜合考慮頂煤的冒放性。選擇合理的支護(hù)阻力，不僅要保證工作面安全，提高液壓支架的工作效率，也可以改善頂煤冒放性，提高煤炭采出率。

[1] 錢鳴高,石平五,許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[2] 徐永圻.煤礦開采學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.

[3] 王建衛(wèi),郭 娜,劉曉柯.綜放工作面支架支護(hù)阻力對(duì)頂煤冒放性的影響分析[J].煤礦現(xiàn)代化,2015，(1):6-8.

[4] 宋選民,康天合,靳鐘銘,等.頂煤冒放性影響因素研究[J].礦山壓力與頂板管理,1995,(4):85-88.

[5] 謝文兵,陳曉翔,鄭百生.采礦工程問題數(shù)值模擬研究與分析[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[6] 彭文斌.FLAC3D實(shí)用教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

Numerical simulation study of the influence of hydraulic supporting resistance on top-coal caving property in fully mechanized caving face

According to the actual geological conditions of 5- 108 fully mechanized caving face in the north area of Pangpangta Coal Mine, using FLAC3Dsoftware simulated the influence of hydraulic support on top-coal caving property under different supporting resistance, and in the model using top-coal plastic zone change indicated the caving property. When the supporting resistance of hydraulic support is 6 000～8 000kN, the support force is enough, and it can ensure the safety of working face, and has good top-coal caving property. If the supporting resistance is lower than 6 000kN, it can not meet the need of roof support. If the supporting resistance is higher than 8 000kN, the support efficiency drops and top-coal caving property is poor. It has reference significance for the mining of working face with similar conditions.

fully mechanized caving mining; FLAC3D; supporting resistance; caving property

TD355+.3

A

王吉廳(1988-)，男，山西臨汾人，助理工程師，從事采礦技術(shù)工作。