20102綜采工作面液壓支架合理支護強度模擬研究

何 磊 劉夫軍

（榆林市榆神煤炭榆樹灣煤礦有限公司，陜西 榆林 719000）

工作面上方覆巖的移動特征和工作面礦壓顯現規律，是確定支架合理支護強度的前提。本文在現有研究成果的基礎上，以榆樹灣煤礦20102工作面為研究對象，采用UDEC離散元分析方法，分析了不同支護強度條件下工作面上方覆巖移動規律，通過擬合分析工作面頂板最大沉降量隨支架支護強度的變化關系，進而確定出液壓支架支護強度的最優取值范圍。

1 概況

榆樹灣煤礦20102綜采工作面平均埋深230m，平均煤厚11.6m，工作面長度250m。工作面煤層直接頂為砂質泥巖和粉砂巖，平均厚度2.2m，節理裂隙發育；基本頂為粉砂巖和中砂巖，平均厚度56m。

2 數值模擬方案

UDEC(Universal Distinct Element Code)作為一款計算分析程序，以離散單元法為理論，該方法對于模擬非線性力學行為的非連續材料在靜載或動載作用下的響應過程非常適用，在巖土工程中得到廣泛應用。

2.1 模型的建立

模型取煤層和頂底板共17層，以便于提高運算速度和保證計算精度，從而清晰地分析覆巖移動破壞規律以及煤層和頂底板應力分布狀態。經過分析判斷本煤系地層中含有兩層關鍵層，建立如圖1所示的模型。模型取走向×高度=500m×120.6m，煤層平均埋深取266.6m，考慮到開采邊界的影響，煤層兩側各設100m的邊界保護煤柱。模型共劃分7871個塊體、35874個單元和44648個結點。

模型左右邊界施加法向約束，底部邊界施加固定約束條件，將基巖以上表土地層換算成等效荷載，均勻施加在模型上表面。根據室內試驗結果可知，模型中各含煤巖層的物理力學參數和各地層的節理力學參數如表1所示。

圖1 離散元計算模型

表1 模型中含煤巖層物理力學參數和節理力學參數

2.2 數值模擬方案

本文重點探討淺埋特厚煤層工作面液壓支架不同支護強度條件下工作面覆巖移動特征，分析工作面覆巖沉降與液壓支架支護強度之間的關系，進而確定合理的液壓支架支護強度，具體方案如下：

（1）利用UDEC的初應力計算功能，產生重力場，模擬未開挖前的巖層原始狀態；

（2）一次性開挖至模型中心位置，并在工作面范圍內設置液壓支架支護模擬單元，分別模擬分析液壓支架支護強度為0.2MPa、0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa工況下工作面上覆巖層的運移情況。

3 模擬結果分析

3.1 不同支護強度下覆巖移動特征

結合20102綜放面地質條件建立支架與圍巖相互作用的數值模型，分別研究不同支護強度下頂板下沉量的變化情況，如圖2所示。

由圖2分析可知，隨著支護強度不斷增大，工作面頂板的下沉量得到了有效控制。液壓支護強度為0.2MPa時，工作面頂板最大沉降量約2300mm，工作面斷面收縮變形量大，無法滿足生產需求；當支護強度為0.4MPa時，工作面頂板最大沉降量約1400mm，工作面頂板沉降變形得到很大程度控制，斷面面積基本能滿足生產需求；當支護強度為0.8MPa，沉降量控制在600mm，工作面上方頂板得到了較好控制，工作面直接頂被液壓支架切斷，將會降低工作面支架壓力，有利于控頂，斷面面積能夠滿足正常生產需求；當工作面支架支護強度大于0.8MPa時，尤其是支護強度達到1.2MPa，頂板的下沉量降低為200mm以下，約為120mm；支架強度由1.2MPa增加至1.6MPa以上后工作面頂板下沉量的減小約為20mm，減幅約為16.7%。

圖2 不同支護強度條件下頂板下沉情況

3.2 支護強度與工作面頂板沉降量的關系

根據數值模擬結果可得到工作面頂板最大下沉量隨支護強度的變化關系，如圖3所示。分析可知，當采高一定時，控頂范圍之內頂板的最大下沉量與支架的支護強度呈指數關系變化；當支架支護強度從0.2MPa增加至1.2MPa時，控頂范圍之內頂板的下沉量從2300mm減小到200mm，減少幅度為90%；當支架的支護強度從1.2MPa增加至1.6MPa時，控頂范圍之內頂板的最大下沉量從200mm減小到100mm，減少幅度相對很小。因此，支架支護強度對控頂范圍之內頂板的下沉量具有明顯的控制作用，但有一定限度，支護強度達到1.2MPa之后，工作面頂板下沉量達到最大值并趨于穩定。

圖3 不同支護強度條件下頂板下沉量

利用MATLAB進行擬合得出支護強度p與工作面頂板下沉量w的關系曲線，如式1所示，其關系表達式為：

4 結論

以榆樹灣煤礦20102工作面為研究對象，采用UDEC離散元數值分析軟件研究了液壓支架不同支護強度條件下工作面頂板覆巖的運移沉降情況，得出以下結論：

（1）該計算工況條件，液壓支架支護強度大于0.6MPa以上時，工作面范圍內的斷面空間能夠滿足生產需求；

（2）工作面頂板最大沉降量與液壓支架支護強度之間呈指數變化關系，當支護強度超過1.2MPa時，頂板最大沉降量變化幅度較小，約為16.7%。考慮到生產安全和經濟效益兩方面因素，建議工作面的頂板支護強度在0.8MPa～1.2MPa之間選取。