關(guān)家崖8104工作面過(guò)上覆采空區(qū)支架選型研究

楊文豪

(1.華潤(rùn)煤業(yè)(集團(tuán))有限公司,太原 030024;2.太原華潤(rùn)煤業(yè)有限公司 原相煤礦,山西 古交 030200)

目前,我國(guó)支架技術(shù)已經(jīng)能夠滿足煤礦開(kāi)采所需[1-3]。但是，實(shí)際回采過(guò)程中,受地質(zhì)構(gòu)造及工作面位置等因素影響,在支架的使用過(guò)程中出現(xiàn)了各種問(wèn)題。其中,以支架選型問(wèn)題最為常見(jiàn)。煤礦多層開(kāi)采現(xiàn)狀大多數(shù)為“先上后下”,即先開(kāi)采上層煤,隨后對(duì)下層煤進(jìn)行回采,導(dǎo)致上層煤開(kāi)采形成的采空區(qū)對(duì)下層煤回采產(chǎn)生一定的影響,生產(chǎn)中易造成漏矸嚴(yán)重,甚至支架壓死等現(xiàn)象[4-6]。對(duì)支架的選型往往機(jī)械式地采用經(jīng)驗(yàn)公式記性計(jì)算,忽略了回采期間應(yīng)力演化等因素對(duì)支架選型的影響。本文以關(guān)家崖煤礦實(shí)際生產(chǎn)條件為背景,通過(guò)對(duì)工作面過(guò)上覆采空區(qū)支架選型的研究,為相似條件礦井提供了借鑒。

1 工程概況

1.1 工作面概況

關(guān)家崖煤礦8104工作面位于8號(hào)煤一采區(qū),工作面對(duì)應(yīng)地表位置為荒山坡,無(wú)建筑物、河流等設(shè)施,工作面煤層沉積比較穩(wěn)定,平均厚度2.5 m,煤層傾角平緩,回采范圍內(nèi)煤層傾角3°～10°,工作面傾斜長(zhǎng)度130 m,走向長(zhǎng)度410 m,采用傾斜長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤方法。該工作面上覆4號(hào)煤層已經(jīng)采空,4號(hào)煤與8號(hào)煤層間距27 m。圖1為8104工作面地層剖面示意圖。

圖1 8104工作面地層剖面圖Fig.1 Stratigraphic profile of 8104 working face

如圖1所示,在8號(hào)煤層推進(jìn)至一定距離時(shí),進(jìn)入上覆4號(hào)煤采空區(qū)影響范圍,對(duì)8號(hào)煤層工作面支架的工作阻力影響較大。

1.2 圍巖特征

8104工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚度2.0～3.0 m(平均厚度2.3 m),老頂為中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖,厚度4.5 ～6.0 m(平均厚度約5.0 m)。8104工作面圍巖特征如表1所示。

由于工作面初期支架選型時(shí)未考慮過(guò)上覆采空區(qū)時(shí)的來(lái)壓特點(diǎn),工作面回采至上覆采空區(qū)附近時(shí),支架多數(shù)出現(xiàn)安全閥開(kāi)啟,工作面整體來(lái)壓劇烈,嚴(yán)重影響回采速度。所以,針對(duì)工作面過(guò)上覆采空區(qū)時(shí)支架的選型是解決煤礦相關(guān)開(kāi)采問(wèn)題的關(guān)鍵所在。本文希望通過(guò)對(duì)關(guān)家崖煤礦過(guò)上覆采空區(qū)時(shí)支架受力及圍巖受力分析,為相似工作面高效開(kāi)采提供一定的理論指導(dǎo)[7]。

表1 關(guān)家崖煤礦8號(hào)煤圍巖特征Table 1 Surrounding rock features of No.8 coal seam in Guanjiaya Mine

2 液壓支架選型理論計(jì)算

2.1 支架類(lèi)型選擇

8104工作面直接頂巖性為泥巖,碎脹性明顯,導(dǎo)致回采期間工作面頂板易失穩(wěn)破碎,造成漏矸現(xiàn)象。支撐掩護(hù)式支架具有掩護(hù)梁及支撐阻力大的特點(diǎn),能夠有效地解決8104工作面頂板破碎的問(wèn)題[8-9]。

2.2 支架高度計(jì)算

支架高度分為支架最大高度hmax和最小高度hmin,最大高度保障了支架與頂板的貼合,最小高度對(duì)設(shè)備裝機(jī)有重要影響。

支架最大高度一般采用經(jīng)驗(yàn)公式:

hmax=Hmax+(0.2～0.3) .

(1)

式中:Hmax為煤層最大開(kāi)采高度,取2.75 m。則支架最大高度hmax=2.75+0.3=3.05 m。

支架最小高度:

hmin=Hmin-hs-hg-he.

(2)

式中:Hmin為煤層最小開(kāi)采高度,取2.55 m;hg為支架頂?shù)姿缮㈨肥穸?一般取0.05 m;he為支架活柱伸縮量,取0.3 m;hs為支架后柱最大伸縮量,取0.1 m。則支架最小高度hmin=2.25-0.05-0.3-0.1=1.8 m。

2.3 支撐阻力計(jì)算

支架支撐阻力過(guò)小,滿足不了頂板來(lái)壓情況,頂板下沉量大,嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn);支架支撐阻力過(guò)大,對(duì)強(qiáng)度低的頂板而言,易被過(guò)大的支撐阻力壓碎,頂板下沉量雖然減小了,但易變得破碎,回采期間將增大頂板漏矸的可能性。一般支護(hù)強(qiáng)度的選擇為8倍采高[10],即

p0=H8Hγ.

(3)

式中:p0為支架支護(hù)強(qiáng)度,MPa;H8為8倍采高,m;H為采高,m;γ為頂板容重,N/m3。

考慮到過(guò)上覆采空區(qū)時(shí)，頂板壓力受到影響而增大,支撐阻力經(jīng)驗(yàn)公式引入受影響系數(shù)a。則原公式變?yōu)?

p0=aH8Hγ.

(4)

取采高為2.7 m,受影響系數(shù)取3,容重取2.2×104N/m3,則最終支架支護(hù)強(qiáng)度p0=3×21.6×2.7×2.2×104=0.38 MPa。

經(jīng)過(guò)計(jì)算,認(rèn)為選擇ZY4000/16/32支架最為合適。其中,支架支護(hù)高度為1.2～3.2 m,支護(hù)強(qiáng)度為0.65 MPa。

3 工作面液壓支架選型數(shù)值模擬

3.1 FLAC3D數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)工作面的地質(zhì)條件及實(shí)際開(kāi)采條件,建立X×Y×Z為150 m×2 m×50 m的摩爾-庫(kù)倫模型進(jìn)行三維計(jì)算模擬。模型共劃分330 597個(gè)節(jié)點(diǎn),26.8萬(wàn)個(gè)單元格,各巖層按煤層柱狀圖依次分組,總計(jì)10層。FLAC3D三維模型視圖見(jiàn)圖2,巖層參數(shù)按實(shí)驗(yàn)室所得巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦值,如表2所示。

圖2 FLAC3D三維模型視圖Fig.2 Three-dimensional model view of FLAC3D

表2 各巖層巖石力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock mechanical parameters

3.2 支架模型建立

為了更好地研究工作面液壓支架的受力情況,建立長(zhǎng)7.2 m,高1.75 m,寬1.5 m的液壓支架模型,如圖3所示。

圖3 液壓支架模型Fig.3 Hydraulic support model

支架與頂?shù)装宓慕佑|面利用interface命令進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的耦合,利用impgrid命令插入大模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過(guò)程與模擬開(kāi)挖過(guò)程同步,同樣采用分布插入以及分布移動(dòng),步頻與開(kāi)挖過(guò)程相同。

4#煤層采空區(qū)范圍為10～60 m,8#煤開(kāi)挖起始點(diǎn)為130 m,開(kāi)挖方式為分步開(kāi)挖,共計(jì)開(kāi)挖80 m,每步開(kāi)挖2 m,共計(jì)40步,每步分別計(jì)算至平衡。由于FLAC3D為有限元單元格,頂板在正常情況下不會(huì)出現(xiàn)垮落狀態(tài),為消除8#煤采空區(qū)頂板不垮落對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的影響,滯后開(kāi)挖1步對(duì)頂板進(jìn)行開(kāi)挖,滯后頂板開(kāi)挖過(guò)程2步對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填。充填體采用雙屈服模型,其特點(diǎn)是單元中部應(yīng)力較兩端較大,這與采空區(qū)的應(yīng)力分布相似。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對(duì)8#煤開(kāi)挖過(guò)程中工作面的應(yīng)力、位移進(jìn)行分析,圖4、圖5分別為下層煤開(kāi)挖過(guò)程中工作面頂板位移及應(yīng)力監(jiān)測(cè)變化圖。

從圖4可以看出,隨著下層煤的開(kāi)挖,下層煤工作面與上層采空區(qū)水平距離逐漸減小,各測(cè)點(diǎn)最大位移值逐漸增大,在62 m處(采空區(qū)邊緣下方)達(dá)到最大,為5.6 cm,頂板下沉量增大了32%,頂板變形較為嚴(yán)重。從圖5可以看出,在62 m測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力峰值最大,為25 MPa,約為原巖應(yīng)力的9倍,其次為70 m測(cè)點(diǎn)處,60 m前方3 m內(nèi)應(yīng)力峰值較開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力峰值較大。

圖4 回采過(guò)程中8#煤頂板位移變化圖Fig.4 Roof displacement variation of No.8 coal seam during mining

圖5 回采過(guò)程中8#煤頂板應(yīng)力變化圖Fig.5 Roof stress variation of No.8 coal seam during mining

圖6為開(kāi)挖過(guò)程中巖體及支架應(yīng)力演化過(guò)程。從圖6中可以看出,隨著工作面持續(xù)推進(jìn),支架及工作面圍巖受力呈“平穩(wěn)-增大-減小”趨勢(shì)。開(kāi)挖前32 m時(shí),支架及圍巖受力增大趨勢(shì)不明顯,支架最大阻力保持在18 MPa上下,工作面煤壁最大應(yīng)力值保持在10 MPa;當(dāng)開(kāi)挖至44 m時(shí),支架最大阻力上升至23.1 MPa,由于支架支撐作用,工作面最大阻力上升至12.5 MPa;當(dāng)工作面開(kāi)挖50 m,即距上覆采空區(qū)10 m處時(shí),受上層采空區(qū)對(duì)下層煤開(kāi)采的影響,此時(shí)支架受力為36.3 MPa,煤壁受力為17.5 MPa;當(dāng)開(kāi)挖至62 m,即剛剛進(jìn)入采空區(qū)時(shí),支架阻力達(dá)到最大,為47.1 MPa,此時(shí)煤壁受力為25.0 MPa;進(jìn)入采空區(qū)后,由于采空區(qū)對(duì)下方巖石有一定的卸壓作用,此時(shí)支架受力又減小至38.1 MPa,工作面受力減小至15 MPa。從工作面正常回采到進(jìn)入受采空區(qū)影響期間,工作面壓力增大2.5倍,支架受力增大2.6倍,增大的倍數(shù)可作為支架選型中引入的影響系數(shù)。在提前探明回采工作面上方有采空區(qū)時(shí),支架選型往往不能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算簡(jiǎn)單選型，需引入影響系數(shù)。

圖6 回采過(guò)程中支架及圍巖應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of support and surrounding rock during mining

如圖7、圖8支架最大受力和最大位移所示,支架最大受力與實(shí)際情況相同,位于支柱上側(cè);最大位移發(fā)生在支架上側(cè)。支架上側(cè)為活柱伸縮位置,符合實(shí)際。從位移上看,伸縮量在可控范圍內(nèi),但從受力角度來(lái)講,液壓支架受力過(guò)大,嚴(yán)重影響工作面回采。

圖7 支架最大受力Fig.7 Maximum force of support

圖8 支架最大位移Fig.8 Maximum displacement of support

4 立柱受力監(jiān)測(cè)

圖9為工作面支架立柱受力分布柱狀圖。由圖9可知,工作面回采期間,在1-9次數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,支架最大受力為15.8 MPa,此時(shí)工作面在采空區(qū)影響外;在11-29次采集數(shù)據(jù)中,支架受力增大,最大為25 MPa,但支架阻力超過(guò)20 MPa的所占比例偏小。實(shí)際回采中,小部分支架安全閥開(kāi)啟,但對(duì)整體回采影響不大,說(shuō)明引入影響系數(shù)后對(duì)支架的選型符合回采要求。

圖9 支架受力分布柱狀圖Fig.9 Force distribution histogram of support

5 結(jié)論

1)通過(guò)理論計(jì)算認(rèn)為,8104工作面適用支撐掩護(hù)式支架,支架最大高度為3.05 m,最小高度為2.55 m,支護(hù)強(qiáng)度為0.38 MPa。經(jīng)過(guò)計(jì)算,認(rèn)為選擇ZY4000/16/32支架最為合適。

2)通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)8#煤開(kāi)挖過(guò)程中工作面的應(yīng)力、位移進(jìn)行分析,認(rèn)為在62 m處(采空區(qū)邊緣下方)頂板下沉量增大了32%;在62 m測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力峰值最大,為25 MPa,約為原巖應(yīng)力的9倍。

3)從工作面正常回采到進(jìn)入受采空區(qū)影響期間,工作面壓力增大2.5倍,支架受力增大2.6倍,增大的倍數(shù)可作為支架選型中引入的影響系數(shù)。

4)在立柱受力監(jiān)測(cè)中,支架受力最大為25 MPa,但支架阻力超過(guò)20 MPa的所占比例偏小,說(shuō)明引入影響系數(shù)后對(duì)支架的選型符合回采要求。