極近距離煤層采空區(qū)下液壓支架工作阻力的確定

趙 峰

（霍州煤電集團(tuán) 三交河煤礦，山西 洪洞 041600）

近年來，隨著煤炭資源的高強(qiáng)度開采，一些賦存條件較好，開采難度較低的煤炭資源已接近枯竭，近距離煤層的開采問題引起了人們的高度重視。與單一煤層開采時(shí)不同，近距離煤層開采時(shí)相互影響較大，尤其是下煤層開采時(shí)，受上煤層開采影響，層間頂板受到損傷破壞，給下煤層工作面頂板控制帶來一定困難，且煤層間距越小，開采難度越大［1-2］。霍州煤電三交河煤礦開采2-1、2-2號(hào)煤層，煤層間距僅有1.4～2.8 m，屬于極近距離煤層，采用下行開采的方法，本文以該礦2-2號(hào)煤層B2-502工作面實(shí)際條件為背景，通過理論分析和FLAC3D數(shù)值模擬，確定工作面合理支架阻力，為工作面的安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

三交河煤礦B2-502工作面位于五采區(qū)北翼，開采2-2號(hào)煤層，煤層厚度為2.1～2.3m，平均2.2 m，煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其上部為2-1-602、2-1-603采空區(qū)，層間距1.4～2.8 m，工作面傾斜長(zhǎng)度為211m，走向長(zhǎng)度為310 m。層間巖層巖性以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，2-1號(hào)煤層厚度平均為2.1 m，工作面直接底以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，巖層厚度為2～5 m，工作面頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 建立模型

為了確定采空區(qū)下液壓支架的合理工作阻力，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，結(jié)合礦井實(shí)際地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型，為簡(jiǎn)化運(yùn)算，取工作面長(zhǎng)度為實(shí)際長(zhǎng)度的1/2，即105m，工作面兩側(cè)各留30 m寬的煤柱，因此模型長(zhǎng)度為165 m，模擬工作面推進(jìn)170 m，推進(jìn)方向的起始端各留50 m的實(shí)體煤。因此，模型寬度為270m，模型高度取75 m。

模型為彈塑性材料，使用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，模型頂部施加5.675 MPa的力模擬上覆巖層作用，四周和底部固定位移，初始計(jì)算模型見圖1。

圖1 初始計(jì)算模型

2.2 模擬過程

模型建好后，計(jì)算至初始平衡，沿工作面推進(jìn)方向開挖，先采上煤層，再采下煤層，每次開挖5 m，計(jì)算至平衡后開挖下一步，共推進(jìn)170 m，分別模擬支護(hù)強(qiáng)度為0.2～1 MPa時(shí)下煤層工作面的頂板下沉量。為模擬采空區(qū)冒落矸石對(duì)頂板的支撐作用，逐步改變模型局部材料特征，冒落矸石的具體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 采空區(qū)冒落矸石物理力學(xué)參數(shù)

2.3 模擬結(jié)果及其分析

模擬下煤層工作面推進(jìn)至不同位置時(shí)，在不同支護(hù)強(qiáng)度下的頂板下沉量，其結(jié)果見圖2。

圖2 推進(jìn)不同位置時(shí)頂板下沉量變化曲線

由圖2可以看出，隨著工作面支護(hù)強(qiáng)度的增大，煤層頂板下沉量逐漸減小，且減小的速度逐漸放緩，趨于穩(wěn)定。工作面推進(jìn)至不同位置時(shí)，頂板下沉曲線的變化規(guī)律十分接近，以工作面推進(jìn)至60 m時(shí)為例，此時(shí)，支護(hù)強(qiáng)度在0.2MPa時(shí)頂板下沉量最大，隨著支護(hù)強(qiáng)度增大，下沉量逐漸減小，支護(hù)強(qiáng)度為0.6MPa時(shí)，頂板下沉量為81 mm，支護(hù)強(qiáng)度為0.7MPa時(shí)，頂板下沉量為74 mm，支護(hù)強(qiáng)度為0.8MPa時(shí)，頂板下沉量為71 mm。由此可以看出，在支護(hù)強(qiáng)度大于0.7 MPa后，頂板下沉量變化速度明顯下降，增大支護(hù)強(qiáng)度不再對(duì)控制頂板下沉量有顯著改善。

為了更加全面的分析支架支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂板下沉量的影響，模擬距離頂板不同高度處的頂板下沉量變化曲線，其結(jié)果見圖3。

圖3 不同高度處頂板下沉量變化曲線

由圖3可以看出，在支架支護(hù)強(qiáng)度小于0.7 MPa時(shí)，不同高度處頂板下沉量變化明顯，隨支護(hù)強(qiáng)度增大，頂板下沉量明顯減小；在支護(hù)強(qiáng)度大于0.7 MPa時(shí)，支護(hù)強(qiáng)度增大對(duì)頂板下沉量的影響逐漸減小，頂板下沉曲線趨于穩(wěn)定。

由上述分析可知，在液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度為0.7 MPa時(shí)，工作面的支護(hù)效果最佳，由支護(hù)強(qiáng)度可得支架工作阻力為

式中：p為液壓支架工作阻力，kN；qs為液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度，取700kPa；Lk為支架控頂距，取3.8 m；B為支架中心距，取1.5m；Ks為支架支撐效率，取0.90。

將數(shù)據(jù)代入，可得液壓支架的工作阻力為4433 kN。

3 理論計(jì)算

與單一煤層開采不同，近距離下煤層開采時(shí)，其支架所承受的壓力根據(jù)層間距大小，可以分為以下兩種情況：

（1）當(dāng)下煤層開采后，其頂板垮落高度大于層間巖層厚度，但小于上煤層頂板的垮落高度，此時(shí)，下煤層工作面液壓支架所受壓力由兩部分組成，即層間巖層厚度與上煤層采空區(qū)垮落矸石的重量之和［3］，其表達(dá)式為∶

式中：q1為層間巖層自身載荷，kPa；q2為上煤層垮落矸石的重量，kPa；hcj為層間巖層厚度，取1.4～2.8 m；h1為上煤層頂板垮落高度，為h1=M1/（K-1），M1為上煤層厚度，取2.1m，K為巖層碎漲系數(shù)，取1.2，可得h1=10.5m；γ為巖層平均容重，取25 kN/m3。

將數(shù)據(jù)代入式（2），可得支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)為297.5～332.5 kPa，代入式（1），得支架工作阻力為1884～2106 kN。

（2）當(dāng)下煤層開采后，其頂板垮落高度大于層間巖層厚度，且大于上煤層頂板的垮落高度，此時(shí)，下煤層工作面液壓支架所受壓力由三部分組成，除層間巖層厚度與上煤層采空區(qū)垮落矸石的重量外，還需承受上覆巖層新增垮落帶巖石的重量，其表達(dá)式為∶

式中：q3為覆巖新增垮落帶重量，kPa；其余符號(hào)含義與前相同。

根據(jù)自然平衡拱理論，有［4］∶

式中：M2為下煤層厚度，取2.2 m；K′為垮落帶壓實(shí)后殘余碎漲系數(shù)，取1.1；K″為二次垮落矸石碎漲系數(shù)，取1.25；其余符號(hào)含義與前相同。

將數(shù)據(jù)代入式（3），可得支架的支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)為340.6～365.6 kPa，代入式（1），得支架工作阻力為2157～2315 kN。

綜合數(shù)值模擬與理論計(jì)算的結(jié)果，為安全起見，取較大值，可得液壓支架的工作阻力最小應(yīng)為4433 kN。

因此，可以選用ZY4800/12/27型兩柱式掩護(hù)式液壓支架，其具體參數(shù)如表3所示。

表3 支架基本參數(shù)

4 工程實(shí)踐

在該礦實(shí)際生產(chǎn)中，為了驗(yàn)證上文所選的液壓支架能否滿足生產(chǎn)需求，對(duì)B2-502工作面進(jìn)行礦壓觀測(cè)，利用下式，求出工作面的合理支架阻力

式中：Pm為來壓期間的循環(huán)末支架阻力，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取3610 kN；σm為支架來壓期間最大載荷的均方差，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取670 kN；k為置信度區(qū)間，取1～1.15。

將數(shù)據(jù)代入式（5），可得工作面支架的合理工作阻力為4280～4381kN，選擇4500 kN的支架仍有一定富余量，說明所選支架合理，結(jié)論較為可靠。

5 結(jié)語

根據(jù)三交河煤礦B2-502工作面實(shí)際情況，對(duì)采空區(qū)下工作面支架阻力進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，得到以下結(jié)論：

（1）利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，分析不同支護(hù)強(qiáng)度下頂板下沉量變化曲線，認(rèn)為支護(hù)強(qiáng)度在700 kPa時(shí)，支護(hù)效果最佳，此時(shí)，支架工作阻力為4433 kN。

（2）通過理論分析，計(jì)算不同情況下支架工作阻力，考慮一定安全性，得到支架阻力最小應(yīng)為2315 kN。

（3）綜合數(shù)值模擬和理論分析結(jié)果，選用ZY4800/12/27型兩柱式掩護(hù)式液壓支架，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的效果。