充填支架與頂板的相互作用關(guān)系數(shù)值模擬研究

陳興紅，杜 凱，宋光遠

(1.山西煤炭運銷集團 三元古韓荊寶煤業(yè)有限公司，山西 長治 046200；2.潞安集團 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046103；3.徐州中礦大貝克福爾科技股份有限公司，江蘇 徐州 221116)

膏體充填是實現(xiàn)煤礦綠色開采的重要技術(shù)手段之一，待充填區(qū)頂板控制效果的好壞是決定膏體充填開采控制地表沉陷成功與否的關(guān)鍵，待充填區(qū)頂板控制的效果取決于充填工作面由煤體—充填液壓支架—充填體形成的支撐體系中的相互作用關(guān)系，該體系中支架的支護強度、充填體強度對頂板控制有著重要影響。本文采用數(shù)值模擬的方法，結(jié)合某礦膏體充填開采條件，對膏體充填工作面充填支架和頂板的相互作用關(guān)系進行研究。

1 工作面概況

某礦井位于山東兗州礦區(qū)，充填工作面位于該礦三采區(qū)，開采3上煤層，煤層厚度3 m，煤層埋深440 m，工作面長160 m，推進長度為2 000 m，工作面開采高度為3 m，偽頂厚度為0.4 m，直接頂2 m，老頂8.4 m，直接底0.4 m，基本底7.6 m。充填工作面采用“三八”工作制，充填工藝為“采煤-隔離-充填-凝固”一循環(huán)，充填步距3.2 m。

2 數(shù)值模擬方案設計

2.1 模型建立及模擬方案

根據(jù)工作面開采地質(zhì)條件，采用FLAC2D模擬軟件建立模型，模型尺寸為：長×高=100 m×90 m，模型左、右、下采用固定限位約束，上部施加9 MPa均布載荷，代替剩余的上覆巖層重力[1-2]。

模擬采用類比開采方式，觀測圍巖變形和覆巖應力分布情況，具體為從模型左向右依次開采75 m，到右側(cè)25 m處終止，模擬充填步距為3.2 m，最大控頂距為7.6 m，每次進尺0.8 m，采用2班采煤，一班充填方式開采。充填時分為采煤區(qū)和待充區(qū)，見圖1，在上一循環(huán)采煤充填完畢后，一班開始采煤，完畢支架前移，及時支護頂板；之后二班采煤，完畢支架前移，及時支護頂板，形成充填區(qū)，進行充填。每班采煤后，進行六小時時步運算，已使之接近現(xiàn)場實況，充填完畢后，運行至平衡，進行下一循環(huán)。每推進一個步距采取相應數(shù)據(jù)分析。

圖1 充填開采示意

2.2 充填支架支護強度參數(shù)

充填支架在充填工作面起著重要作用，不僅要支護頂板，保證頂板不垮落，同時也要隔離采煤區(qū)和待充區(qū)，在研究支架與頂板相互作用關(guān)系時，為了便于分析，對模擬支架的參數(shù)進行假設：①頂板和頂梁全面接觸，載荷是按照線性分布；②沿頂梁寬度方向的載荷是均布的，無偏心載荷。

充填支架對圍巖受力關(guān)系可以概括為圖2，充填液壓支架對頂板的支護有三個區(qū)域，頂梁端部區(qū)、中部區(qū)和尾部區(qū)，該礦的充填支架結(jié)構(gòu)參數(shù)為支架頂梁前端長1.7 m，后端3.5 m，尾梁長2.4 m，支架底座長3.5 m，支架中心距1.5 m，支架最大高度為5.2 m，最小高度3.5 m。為此經(jīng)過受力平衡，力矩平衡進行矯正，在模擬方案中采用支架支護參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬中支架載荷參數(shù)分布

圖2 模擬支架與頂板作用關(guān)系力學模型

3 數(shù)值計算結(jié)果及分析

3.1 支護強度對頂板下沉的影響分析

在模擬中發(fā)現(xiàn)，隨工作面的推進，頂板在工作面處下沉明顯加快，不同的支護強度對頂板的下沉變化值有一定的影響。煤壁處頂板隨支護強度不同，下沉值不同，下沉值隨支護強度的增加而減小，見圖3，頂板下沉值與支護強度有著較好的線性關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)達到0.994 49，擬合關(guān)系式為y=201.84-15.38x。

去除煤壁處的頂板下沉影響之后，在采煤區(qū)頂板的下沉量隨著支護強度的增加也在減小，通過非線性擬合，成明顯的雙曲線的關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)達到0.923 55，擬合公式為y=50.375x/(x-0.006)，見圖4。這與跨落法開采時，頂板下沉量與支架支護強度的關(guān)系相似，數(shù)值模擬結(jié)果表明：①充填開采時，頂板下沉是不能根本消除的，主要是由于支撐壓力下，頂板下沉是以煤壁和充填體為基礎的上覆巖層整體下沉引起的；②充填開采時，隨支撐強度增加可以減小頂板下沉，但從絕對值上看，幅度并不大。這主要是由于充填體支撐作用影響，充填支架僅需要維護局部頂板，控制其下沉。

圖3 煤壁處頂板下沉隨支護強度變化的影響關(guān)系

圖4 采煤區(qū)頂板下沉隨支護強度變化

3.2 不同支護強度對頂板離層的影響分析

回采工作面頂板是否離層以及頂板的離層大小是判斷對頂板支護強度是否合適的一個重要的因素。工作面頂板離層的判斷，以及離層多少是安全的，目前對此方面研究還較少，沒有明確的規(guī)定[3-5]，本文根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗對充填開采工作面頂板離層臨界值進行預設定，并在實際觀測過程中進行修正。

巷道頂板離層值是一個巷道穩(wěn)定性的綜合指標[4-5]，本文參考對國內(nèi)外錨固范圍內(nèi)、錨固范圍外的臨界值幾個數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，以此確定充填工作面頂板離層的臨界值。在國外，澳大利亞以20 mm作為巷道頂板離層的臨界值；邢臺礦區(qū)目前暫定30 mm為其頂板離層臨界值[6]；淮南新集礦區(qū)層間離層臨界值一般取為20 mm[7]；大安山礦根據(jù)實際情況暫定錨固范圍內(nèi)臨界值為15 mm，錨固范圍外臨界值為30 mm[8]；龐莊煤礦通過井下實測，七煤巷道錨固范圍內(nèi)、外離層值之和達到30 mm左右時，其相應的錨桿阻力顯著增大，頂板下沉量明顯增加，這時需要采取適當措施[9]。考慮到充填工作面圍巖應力集中較小，充填面頂板離層臨界值預設定為10 mm。

工作面開采后，從微觀上講頂板離層一般是無法避免的，除去巖層的泄壓膨脹，頂板各層中產(chǎn)生離層。根據(jù)直接頂?shù)暮穸龋M中頂板離層采取煤層上部0.5 m的頂板相對煤層上部5 m頂板的下沉量作為本次頂板的離層分析。從圖5中看出，在工作面開采后，支護強度不同，頂板產(chǎn)生離層大致變化趨勢相同，在煤壁前1 m左右頂板基本不產(chǎn)生離層，工作面頂板離層基本處于8～14 mm之間。煤壁處頂板離層隨支護強度的增加有明顯線性減小趨勢，減小的幅度不大，離層值在8.6～7.4 mm之間；采煤區(qū)和充填區(qū)頂板離層隨支護強度的增加均有減小的趨勢，且采煤區(qū)頂板離層值大小隨支護強度的增加減小幅度比充填區(qū)的要大；而充填完畢后20 m的頂板離層隨支護強度的增加基本不變，離層值在8.7～9.1 mm之間。

圖5 不同支護強度下頂板離層變化分布

3.3 不同支護強度對頂板應力的影響分析

模擬不同支護強度下頂板應力分布，支護強度對頂板應力的總體分布和變化影響不大，但在采煤區(qū)對頂板應力有一定的影響，見圖6，隨著支護強度的增加，采煤區(qū)頂板垂直應力呈線性增加，支撐強度從0.1～1 MPa變化時，頂板最大垂直應力從0.26～2.1 MPa變化，大致為支撐強度的2倍；超前支承壓力隨支護強度的增加，總體呈下降趨勢，但是下降幅度較小，在21.1 ～21.7 MPa之間，最大超前支承壓力在煤壁前9 m左右，按照原巖應力為11 MPa，超前應力系數(shù)大約2。如圖7。

4 結(jié) 語

1) 不同的支護強度對充填工作面頂板的下沉變化值有一定的影響。但充填面頂板的下沉是不能根本消除的，隨支撐強度的增加可以減小頂板的下沉，但從絕對值上看，幅度并不大。

2) 支護強度不同，在煤壁前1 m左右頂板基本不產(chǎn)生離層，煤壁處頂板離層隨支護強度的增加有明顯線性減小趨勢；采煤區(qū)和充填區(qū)頂板離層隨支護強度的增加均有減小的趨勢，且采煤區(qū)頂板離層受到影響較大；而充填完畢后20 m的頂板離層基本不變。

3) 支護強度對頂板應力的總體分布和變化影響不大，頂板最大垂直應力大致為支撐強度的2倍；超前支承壓力隨支護強度的增加，總體呈下降趨勢，但是下降幅度較小，最大超前支承壓力在煤壁前9 m左右，超前應力系數(shù)約為2。