兩柱掩護式支架工作面圍巖穩定性研究

靳亞強

(潞安化工集團有限公司 古城煤礦，山西 長治 046000)

我國放頂煤開采工作面廣泛使用的是四柱式放頂煤液壓支架，但是相較于兩柱掩護式支架，四柱式支架前后立柱受力不均勻，阻力差別大，支架梁端的水平支撐力較小，對端面頂煤的控制能力差，支架的結構和控制系統復雜[1-2]。而兩柱掩護式支架移架速度快，調整范圍大，重復支撐頂板的次數少，對不穩定頂板有較強的適應性，并且具有結構簡單、重量輕、造價低等優點[3-5]。這種架型的液壓支架在我國煤礦中也有應用的歷史，獲得了比較好的經濟效益。

1 工程概況

某礦4301綜放工作面位于四采區淺部，工作面面長176 m，推進長度667 m，工作面標高-189.0～-243.5 m。埋藏深度338.03～293.22 m。

工作面所采煤層為下二疊統山西組底部之下煤3，煤層產狀平緩，裂隙發育，結構復雜，煤層厚度為5.85～9.40 m，平均厚度8.2 m，沿工作面傾向煤層傾角為4～9°，工作面推進方向煤層傾角為3～10°，平均4°。

2 數值模擬研究

本節通過UDEC軟件建立模型。模擬煤層厚度為8.2 m，直接頂為厚度5.3 m的粉砂巖和4.6 m的細砂巖，偽頂為厚度0.6 m的泥巖，老頂為厚度13.1 m的中砂巖，直接底為厚度5.6 m的粉砂巖，偽底為厚度0.8 m的泥巖，老底為厚度10.4 m的中砂巖，上覆巖層厚度為15 m。模型長度140 m，高度55 m，模擬采深300 m，模型如圖1所示。

模型中巖體設為均勻彈性體，節理變形破壞模型為摩爾-庫侖模型，模型下部邊界固定，兩側邊界固定。數值模擬中煤巖層力學參數如表1、2所示。

圖1 數值模擬模型

表1 塊體力學參數

表2 接觸面力學參數

2.1 方案的確定

根據研究目的與研究的內容，兩柱式與四柱支頂式液壓支架頂梁載荷分布形式如圖2所示，兩種支架的額定工作阻力都設為6 800 kN。

模擬分析時采取方案在工作面實際煤巖力學條件下，依據支架立柱在工作高度時的前傾角度-80°為基準，變化立柱角度為70°和90°。

圖2 支撐掩護式液壓支架頂梁載荷分布

2.2 支架水平力的變化對端面頂煤穩定性的影響

由模擬結果分析可知，液壓支架立柱前傾角度不同，支架所能承受的水平力也不相同。兩柱式支架立柱達到額定工作阻力6 800 kN，當前傾角分別為70°、80°、90°時，水平方向分力為：2 325.7 kN、1 180.8 kN、0 kN；四柱式支架受其自身結構的限制，支架能提供的有效水平力很小，立柱只有90°一種位態(考慮到四柱式支架也可以提供一定的水平工作阻力，在模擬過程中取立柱角為88°)。

1) 老頂初次來壓期間支架對端面頂煤的控制效果。由圖3可知，四柱掩護式支架與兩柱式掩護式支架立柱前傾角為90°時，兩支架支護的端面頂煤均發生了嚴重的片幫與冒頂，冒頂量分別為417 mm和513 mm。隨著立柱前傾角度的變化，兩柱式支架的控頂效果發生顯著改變，見圖3(c)、(d)；立柱前傾角度為70°時，工作面基本未發生片幫、冒頂；立柱前傾角度為80°時，工作面發生了輕微的片幫、冒頂情況。

2) 老頂周期來壓時，兩種支架對端面頂煤的控制效果。由圖4可知，老頂周期來壓時的礦壓顯現較初次來壓相對緩和。四柱掩護式支架支護時，片幫與冒頂較為嚴重。對于兩柱式支架，隨著立柱前傾角度的變化，控頂效果也不相同。立柱前傾角度為70°時，工作面基本未發生片幫、冒頂；立柱前傾角度為80°時，工作面發生了輕微的冒頂；立柱前傾角度為90°時，工作面片幫、冒頂情況十分嚴重。

圖3 初次來壓期間支架控頂效果

圖4 周期來壓期間支架控頂效果

3 結 語

1) 立柱前傾角度不同，影響支架上方頂煤的運移規律及工作面端面頂煤的穩定性。

2) 兩柱掩護式放頂煤液壓支架能提供較大的向前水平力，這將有利于維護端面頂煤的完整性，有利于使液壓支架處于穩定的工作狀態。