基于UDEC的液壓支架支護強度參數研究

韓文龍

(大同煤礦集團有限責任公司安全監管五人小組管理部，山西 大同 037003)

0 引言

在我國厚煤層和特厚煤層開采過程中，工作面支架立柱收縮、壓壞等事故時有發生[1]。針對我國煤礦生產實踐的需求，國內許多學者針對淺埋特厚煤層礦壓顯現規律、液壓支架工作特性和液壓支架產生的事故特征及原因進行了研究并取得了許多成果[2]，但對于特厚煤層工作面液壓支架的合理支護強度取值仍然缺乏有效的確定方法，特別是一次采全高的特厚煤層綜放工作面開采。而研究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。

因此，在現有研究成果的基礎上，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，以此為安全采煤生產提供借鑒。

1 液壓支架合理支護模型研究

1.1 地質概況

以同煤某礦綜放工作面為研究對象，該礦主采煤層為二水平的11#、12#、13#煤層，采用一次采全高低位放頂煤開采。其中，工作面埋深為310～380 m，為淺埋煤層，煤層厚度為5.5～9.5 m，平均厚度為7.3 m。頂板主要參數見表1。

表1 頂板主要參數

1.2 模型建立

UDEC(Universal Distinct Element Code)作為一款新發展起來的計算分析程序，以離散單元法為其基本理論，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的適用，在巖土工程中得到了廣泛應用[3]。本文采用UDEC離散元軟件，針對煤層開采過程中巖層移動及礦壓顯現特征進行數值模擬分析。

根據地質勘探資料顯示，工作面的主要含煤地層有20多層，為了簡化分析模型，本次選取煤層底板和頂板以上覆巖地層作為研究對象，共17層。經過分析判斷本煤系地層中含有兩層關鍵層，在計算模型中關鍵層與其他較薄地層不再劃分水平節理，而對關鍵層以外的其他厚度為5 m及以上的地層需要劃分水平節理，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。考慮到計算邊界效應的影響，模型計算范圍取走向×高度=500 m×120.6 m，煤層平均埋深取266.6 m，考慮到開采邊界的影響，煤層兩側各設100 m的邊界保護煤柱。模型共劃分7 871個塊體，35 874個單元和44 648個結點，所建立的離散元計算模型，如圖1所示。

圖1 離散元計算模型

模型左右邊界施加法相約束；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[4-5]。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，見表2；計算模型中各地層的節理力學參數見表3。

表2 模型中含煤巖層物理力學參數

1.3 模擬方案說明

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。具體方案是利用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；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0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1.0 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.6 MPa工況下工作面上覆巖層的運移情況。

表3 模型中煤巖層節理力學參數

2 基于UDEC的液壓支架強度模擬研究

2.1 不同支護強度下覆巖移動特征

根據前面建立的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的控制。液壓支護強度為0.2 MPa時，工作面頂板最大沉降量約2 300 mm，工作面斷面收縮變形量較大，無法滿足生產需求；當支護強度為0.4 MPa時，工作面頂板最大沉降量約1 400 mm，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0.8 MPa，沉降量控制在600 mm，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0.8 MPa時，尤其是支護強度達到1.2 MPa，頂板的下沉量降低為200 mm以下，約為120 mm。支架強度由1.2 MPa增加至1.6 MPa以上后工作面頂板下沉量的減小約為20 mm，減幅約為16.7%。

a-支護強度為0.2 MPa；b-支護強度為0.4 MPa；c-支護強度為0.6 MPa；d-支護強度為0.8 MPa；e-支護強度為1.0 MPa；f-支護強度為1.2 MPa；g-支護強度為1.4 MPa；h-支護強度為1.6 MPa圖2 不同支護強度條件下頂板下沉情況

2.2 沉降量的計算研究

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，進而可擬合得出支護強度p與工作面頂板下沉量w的關系曲線，如圖3所示，其關系表達式為

(1)

圖3 不同支護強度條件下頂板下沉量

由圖3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0.2 MPa增加至1.2 MPa時，控頂范圍之內頂板的下沉量從2 300 mm減小到200 mm，減少幅度為90%。當支架的支護強度從1.2 MPa增加至1.6 MPa時，控頂范圍之內頂板的最大下沉量從200 mm減小到100 mm，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，但是有一定的限度，支護強度達到1.2 MPa之后，工作面頂板下沉量達到最大值并趨于穩定。

2.3 模擬結果分析

液壓支架支護強度大于0.8 MPa以上時，工作面范圍內的斷面空間能夠滿足生產需求；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1.2 MPa時，頂板最大沉降量變化幅度較小，約為16.7%。

3 結論

(1)建立了基于UDEC離散元數值分析的液壓支架支護強度與工作面覆巖移動特性研究模型，并設置了模型中含煤巖層的物理力學參數。根據模擬結果來看，該模型的建立比較合理。

(2)通過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，得出液壓支架支護強度大于0.8 MPa以上時，工作面范圍內的斷面空間能夠滿足生產需求；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1.2 MPa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的影響，建議該工作面頂板的支護強度在0.8～1.2 MPa之間選取。