近距離煤層下位放頂煤工作面支架阻力的確定

魏昌彪

（山西煤炭進出口集團有限公司，山西 太原 030024）

引言

相較于單一煤層開采，近距離煤層群開采有自己的特殊性，在完成上部煤層開采后，工作面的圍巖應力重新分布，頂板巖層發生破斷、下沉、垮落等現象，這必會對下位煤層應力分布情況造成一定的影響，所以使得下煤層開采的礦壓顯現與上煤層有較大差異。對于極近距離煤層來說，由于煤層間距離較近，間隔層厚度及巖性對工作面關鍵層影響較大，下煤層開采時層間結構難以形成穩定的關鍵層，故與單一煤層相比近距離煤層的來壓情況更加明顯。但目前的研究內容主要集中于下部煤層回采巷道布置及支護方式，對于近距離煤層開采過程中和回采過程中礦壓顯現規律及煤層群下位工作面上覆巖層運動破斷特征的研究相對較少。

因此本文以某礦5302 近距離煤層下位放頂煤開采工作面為背景，建立了極近距離煤層層間無基本頂支架阻力計算模型，并利用數值模擬方法模擬了上位4 號煤層開采后在5 號煤開采過程中支架的受力情況，最終確定了近距離煤層下位放頂煤工作面合理的支架阻力，為類似條件下的放頂煤開采提供了實踐經驗。

1 工程概況

某礦5302 工作面作為5 號煤層的綜放工作面，其工作面標高為+567～+618 m。5302 工作面與4號煤4302 采空區成內錯布置；5 號煤層與4 號煤層距離為0.7～1.3 m，煤層距離平均值為1.05 m；5 號煤層的平均厚度為4.2 m，煤層傾角為2°～8°。各煤巖層物理力學參數見表1。

表1 煤巖體物理力學參數

2 支架阻力理論計算

上下煤層間的巖層厚度較薄，且強度較小，很難形成基本頂結構，上部煤層頂板隨著下部煤層的推進發生垮落，很難形成穩定的“砌體梁”結構。所以對于這種層間無穩定結構的覆巖結構，層間無基本頂結構支架阻力計算模型如圖1 所示。

圖1 層間無基本頂結構時支架阻力計算模型

此時，支架阻力由液壓支架控頂范圍內直接頂巖層的重力Qz和直接頂上方采空區內垮落巖層的重力Qs兩部分組成，加之考慮上層煤“砌體梁”結構再次失的穩影響系數k，支架工作阻力可由以下公式計算：

式中：B 為支架寬度，取1.5 m；lk為下層煤控頂距，取6 m；hz為下層煤直接頂厚度，取25.99 m；hs為上層煤垮落帶厚度，取15.8 m；M 為上層煤厚度，取1.9 m；Kp為巖層碎脹系數，一般在1.05～1.3 之間，取1.12；γ 為巖石容重，取1.05 kN/m3。將數值代入公式計算得液壓支架控頂距直接頂巖層重量Qz=246kN。

上層垮落帶厚度為：hs=1.9/（1.12-1）=15.8 m。

直接頂上方采空區垮落巖層的重量為Qs=1.5×6×15.8×1.05=156.3 kN。

液壓支架工作阻力為P=246+156.3=402.3 kN，考慮動壓系數k=1.2（4108 工作面基本頂“砌體梁”結構再次失穩引起），支護效率0.9，則P=402.3×1.2/0.9=536 kN。

3 支架阻力數值模擬研究

本次采用美國Itasca 公司開發的仿真計算軟件FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions）進行分析。

根據表1 物理力學參數建立尺寸長×寬×高為200 m×1.5 m×80.5 m 的單位架寬模型，假定各地層水平，厚度均勻，巖層內部各向同性，采用莫爾-庫倫本構模型對煤巖體進行分析計算，采用線彈性本構模型對液壓支架進行分析計算，重力參考值g=-9.81 m/s2，建立上部利用應力邊界模擬覆巖層載荷，側面限制水平位移，底部固支的模型邊界條件。此時進行一次平衡計算以模擬開挖前工作面的初始狀態。利用Extrusion 模塊輸入液壓支架關鍵點位并連接，劃分網格后生成液壓支架，將其網格導入至模型開切眼內進行組合。建立的地層模型如圖2 所示，液壓支架模型如圖3 所示。

圖2 地層模型

圖3 液壓支架模型

為分析5 號煤層圍巖應力及塑性區演化規律，并對其液壓支架受力進行分析，首先進行4 號煤層開挖分析，以生成5 號煤開采前的圍巖初始狀態，在4 號煤層開采后的模型中繼續開挖5 號煤層，并用Fish 語言控制割煤，放煤與移架，所得液壓支架受力狀態如圖4 所示。

圖4 液壓支架應力（Pa）云圖

由圖4 可以看出，在5 號煤層開采過程中，在初采部位液壓支架的立柱液壓值較低，液壓支架立柱液壓最大值為30.7 MPa（四柱液壓均值，對應工作阻力5 101 kN），對比上文分析的理論值5 068 kN 較為一致。

4 工程應用

某礦5302 綜放試驗工作面沿走向的長度為750 m，沿傾向的長度為148 m，一共安裝液壓支架100 架，分別為中部液壓支架型號為ZF5600/17.5/28，共94 架，初撐力為5 236 kN，工作阻力為5 600 kN；過渡支架型號ZYG6000/19/30，共6 架。為了得出工作面中部支架推進40 m 的監測結果，用KJ653 綜采支架阻力監測儀對支架工作阻力進行監測，結果見下頁圖5。

圖5 工作面中部支架立柱液壓信息特征

由于采場中部頂板側向限制較弱，5302 工作面中部液壓支架工作阻力較工作面兩端大，安全閥未頻繁開啟，表明支架選型合理；同時從現場觀測可知，工作面未出現明顯的端面冒漏和煤壁片幫現象，再次證明了所選支架的合理性。

5 結論

1）建立了極近距離煤層層間無基本頂支架阻力計算模型，確定在此種情況下支架受力來自液壓支架控頂的直接頂重力Qz，和上部采空區垮落巖層的重力Qs考慮上層煤“砌體梁”結構再次失的穩影響系數k，經計算合理支架阻力為5 068 kN。

2）經數值模擬分析在5 號煤開采過程中在初采部位液壓支架的立柱液壓值較低，液壓支架立柱液壓最大值為30.7 MPa（四柱液壓均值，對應工作阻力5 101 kN）。

3）實踐表明5302 工作面中部液壓支架工作阻力較大，驗證了某礦5 號煤層選用支架的合理性，為類似條件下的放頂煤開采和礦壓控制提供了實踐經驗。