蘭興煤業2號煤支架選型研究

宋濤　張凡

摘要：調研了蘭興煤業煤層條件及2號+煤頂底板情況，分析了地質條件及柱狀圖確定綜采面的采高。2號+煤頂底板為砂質泥巖壓、泥巖等條件，根據資料對對液壓支架進行了合理配套及選型，確定了支架的工作阻力和采高范圍;通過FLAC3D模擬軟件建立數值模型，對支護效果進行了分析，為綜采面液壓支架配套、選型研究提供了一定參考。

Abstract： The coal seam conditions of Lanxing coal industry and the condition of No.2 + coal roof and floor were investigated. The geological conditions and histogram were analyzed to determine the mining height of the fully mechanized mining face. No.2 + coal roof is sandstone mudstone pressure， mudstone and other conditions. According to the data， the hydraulic support is properly matched and selected， and the working resistance and height range of the bracket are determined. The numerical model is established by FLAC3D simulation software. The support effect was analyzed， which provided a reference for the matching and selection research of hydraulic support for fully mechanized mining face.

關鍵詞：地質條件;選型; 配套; 液壓支架;數值模擬

Key words： geological conditions;type selection;matching;hydraulic support;numerical simulation

中圖分類號：TD355? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）14-0137-03

0? 引言

山西許多煤企業兼并重組，為合理開發煤炭資源、增強煤礦安全生產，針對蘭興煤業礦2號+煤層進行了機械化開采方案及液壓支架配套方案的可行性研究。

該礦井設計生產能力為90萬噸，根據蘭興煤業2號+煤層賦存條件及地質條件，將年產量90萬噸/年做為設計目標，進行了開采方案及綜采支架配套方案分析，提出了合理的計算選型配套。

1? 地質條件

1.1 煤層情況

該煤層位于山西組中部，上距1號煤層約6.00m，厚1.33～1.80m，平均1.55m。2號+煤層（如圖1）有層夾矸約在0.7～0.8m，上部煤厚度均為1.1m;下部厚為0.5m。

1.2 頂底板情況

直接頂為泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖，為2.50m厚度，整體較硬，便于管理。老頂為泥巖，抗壓強度為38.0～73.4MPa，平均60.1MPa，單向抗拉強度為1.97～3.06MPa，平均2.15MPa，穩定性較好。

2? 工作面采高確定

該煤層距1號煤層平均6.00m，厚度1.33～1.80m，全井田穩定可采。2號+煤上部理論厚度為1.2m;井下實測厚度在1.2～1.4m，多數在1.2m左右。2號+煤層理論厚度夾矸厚度在0.7～0.8m;實測厚度約0.3～0.6m。下部煤厚度為0.5m左右。

通過以上分析，確定2號+煤采高：

綜采面最大采高為2.3m;

綜采面最小采高為1.8m。

3? 架型選擇

由于2號+煤層頂底板是砂質泥巖、泥巖，可考慮兩柱掩護式支架的平衡油缸調節頂梁合力作用，并較好地適應綜采面頂板壓力變化，頂梁前端支撐能力較大，支撐合力距煤壁距離較小，底板適應性強，選型配套兩柱掩護式支架。

3.1 支護高度確定

高度計算

Hmax≥Mmax+（0.1～0.2）? ? ? ? ?（1）

Hmin≤Mmin-0.2? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：Mmax：綜采面最大采高;

Mmin：最小采高;Hmax：架子最大高度;

Hmin：最小高度。

2號煤最大采高2.3m，可確定支架最大最高2.4m;伸縮比大可選雙伸縮立柱，支架最小高度1.1m。

3.2 工作阻力計算

2號+煤層直接頂為泥巖、砂質泥巖、炭質泥巖，厚度為2.50m，穩定性較差，老頂是泥巖，單向抗壓強度大，且穩定性較好;支架工作阻力按Ⅰ～Ⅲ級基本頂條件計算。

綜采面老頂周期來壓步距

式中：

L：基本頂周期來壓步距，m;

q：巖梁均布載荷，取 0.125MPa;

H：基本頂分層厚度取5m;

Rt'：基本頂巖體抗拉強度選 2～3MPa。

代入數值得，老頂周期來壓步距為11～14m。

按照基本頂額定支護強度下限計算：

PS=72.3hm+4.5L+78.9Bc-10.24N-62.1

式中：

PS：額定支護強度下限;

N：直按頂與采高之比為0;

hm：煤層最大采高2.3m;

L：周期來壓步距， 井下調研為 11～14m。

工作阻力下限為

FS=PS·（SC·BC）/KS

FS：工作阻力下限;

SC：中心距為1.5m;

BC：最大控頂距4.0m;

KS：支撐效率0.8;

BC：最大控頂距4.0m。

代入計算FS=3538～3625KN，工作阻力應取3800KN。

綜合上述計算結果，2號+煤支架工作阻力應取3800kN。

4? 數值模擬分析

4.1 模型建立

采用FLAC3D軟件模擬分析，綜采面支護強度為0.5MPa下進行動態回采數值模擬。三維數值尺寸為420×250×210m，綜采面截深0.63m，長度150m，煤層厚2.0m，頂板5m底板4.0m，用非等份劃分。模型劃分為26280個單元和36216個網格點，建立模型如圖2。

4.2 支護效果

設定綜采面支護強度0.5MPa時，可模擬出垂直位移分布云圖，從圖3中可知，控頂內頂板豎向位移小，采空區頂板下沉逐漸增大，綜采面支護強度達0.5MPa時符合支架和采場圍巖關系，支護效果理想，有效控制頂板下沉。

圖4是綜采面0.5MPa支護強度時的應力分布圖，從圖中沿綜采面推進方向垂直應力前方3.5m內迅速增大，達到峰值是4.5m左右，應力為原應力1.6～2.1倍，符合下圍巖應力及采場圍巖的合理分布，頂板圍巖應力較小說明其穩定性更好。

數值模擬0.5MPa支護強度時，能夠有效抑制頂板下沉量，且圍巖應力值較小圍巖更加穩定。因此支架提供的支護強度應不小于0.5MPa。

5? 結論

通過蘭興煤業2號+煤層地質調研及理論分析，對煤層綜采支架配套選型進行了可行性研究，運用FLAC3D建立三維模型，通過數值模擬對支護效果進行分析，滿足了綜采面支架選型配套要求。

參考文獻：

[1]王國法.液壓支架技術[M].北京：煤炭工業出版社，1999.

[2]高延法.礦山巖體力學[M].徐州：中國礦業大學出版社， 2000.

[3]劉旭東，夏護國.7m大采高綜采設備選型配套與應用[J].礦山機械，2012（09）.

[4]袁志剛.伯方煤礦綜放及大采高綜采可行性對比分析[J].煤礦開采，2011（04）.

[5]張立榮.某煤礦中厚煤層液壓支架設計選型[J].煤礦機械，2012（05）.