后安煤礦近距煤層垂直布面的支架選型研究

甄亞東 張 鵬 庫永亮 折志 龍

（中煤北京煤礦機械有限責任公司，北京 102400）

0 引言

后安煤礦位于山西省朔州市平魯區陶村鄉王高登村南，屬山西省具有較大規模的民營礦井。后安煤礦可采煤層有4、9、11煤層，4和9煤層已接近采空，即將對11煤層進行開采。11煤和9煤的距離較近，平均約5m，屬近距煤層。由于特殊地質條件，11煤的工作面走向與9煤方向垂直。這就對11煤的液壓支架支護設備提出了更高的要求。但是類似的開采經驗較少，需要采取多種方式對液壓支架支護強度進行驗證。

1 地質情況

9號煤層：位于太原組下部，煤層厚度12.88m～18.18m，平均為15.72m。含夾矸2～10層，一般為3～6層，厚度一般在0.07m～0.52m，巖性以高嶺巖為主，其次為粉砂巖和炭質泥巖。煤層頂板為中細粒砂巖，底板為細粒砂巖或砂質泥巖，為全區可采的穩定煤層。

11號煤層：為太原組底部的主要煤層，距9號煤層2.26m～10m。煤層厚度3.59m～8.13m，平均為4.9m。結構簡單-較簡單，夾矸0～4層，夾矸厚度0.2m～0.8m，巖性多為炭質泥巖和高嶺巖，煤層頂板以灰巖為主，常有泥巖偽頂，底板為灰巖和細砂巖。屬穩定的全區可采煤層。本層層位穩定，頂板巖性特殊，易于識別。11號煤層埋藏深度139.5m～256.8m，平均210.68m。9號、11號煤層為黑色，條痕為深黑色或褐黑色，硬度f:2～3。11號煤層偽頂為泥巖或炭質泥巖，直接頂板為石灰巖或砂質泥巖。

2 液壓支架選型

2.1 支架形式確定

兩柱掩護式支架較四柱支撐掩護式支架重量輕、伸縮比大，升、降、移架速度快，頂梁合力作用點靠近煤壁，有利于維護頂板的完整性；四柱支撐掩護式支架4個立柱不可能同時受力，存在受力不均的問題，兩柱式支架支護效率要高于四柱式支架；盡管兩柱掩護式支架底板比壓要高于四柱支撐掩護式支架，但抬底座機構的應用抵消了兩柱掩護式支架在這方面的劣勢；因此，后安煤礦大采高工作面優選兩柱掩護式支架形式[1]。

2.2 支架中心距確定

在支架采高一定的前提下，支架越寬，支架的穩定性越好，所以現在的大采高兩柱掩護式支架向大中心距方向發展[2]。采用1.75m、2.05m的中心距后，不但可以大大提高支架的穩定性，而且可以減少支架數量，簡化電液控制系統，降低設備投入成本，加快移架速度。綜合考慮后安煤礦的井下運輸條件，優選支架中心距為1.75m。

2.3 支護強度確定

支架支護強度核算主要采用2種方法來分析，即：①建立在大采高支架工作阻力經驗之上的估算法[3]；②建立在支架與圍巖相互作用關系基礎之上的數值模擬方法。

2.3.1 經驗估算法

經驗公式（巖重法）Ps=nrH；

式中：Ps—支護強度，kN/m2；n—支架載荷相當于采高巖重的倍數，取8；r—頂板巖石容重，2.6kN/m3，2.6；H—支架最大高度。

支護強度：

Ps=9.8×8×2.6×5.5=1121.12kN/m2=1.12MPa

2.3.2 數值模擬法

數值模擬實驗以山西朔州平魯區后安煤礦兩層可采煤層9#煤和11#煤為工程背景，為分析開采過程中覆巖三維宏觀力學性質變化以及頂板移動變形特征，采用大型非線性三維數值計算軟件FLAC3D對其進行模擬計算。

2.3.2.1 邊界條件設定

上部邊界條件：該模型中在Z軸方向上，按照地質綜合柱狀圖選定11號煤層底板以下50m，頂板以上取105m作為數值模擬模型，模型頂部直至地表90m巖層以均布荷載的應力邊界條件代替，由下式計算。

式中：q-均布載荷,MPa；γ-巖石容重，N/m3；h-巖石厚度，m；g-重力加速度，kg/N。

下部邊界條件：模型的底部邊界設置為位移邊界條件，在x方向可以運動，y方向固定的鉸支，通過速度固定邊界，即速度υ=0。

左側和右側邊界條件：該模型的左側和右側邊界均為實體煤和巖體，簡化為位移邊界條件，在y方向上可以運動，x方向上固定的鉸支，即υ=0。模型邊界條件如圖1所示。

圖1 模型邊界條件示意

2.3.2.2 建立模型

相關地層及巖性結構信息主要來源于山西朔州平魯區后安煤炭ZK2號、ZK1-3號、ZK3-2號及井田地層綜合柱狀圖。為計算方便對地層進行略微調整，適當簡化，得出進行數值模擬計算部分的地層分布。

模擬巖層區域由下至上為11煤底板40m至煤層頂板105m，形成長為500m、寬為300m、高160m的FLAC3D數值模擬模型，如圖2所示。整個模型共劃分為252000個單元，246000個節點。在減少單元網格數量，提高運算速度的同時，為保證計算精度，按區域需要考慮來調整單元網格的疏密程度。

圖2 數值模擬初始模型示意圖

9煤工作面沿模型X方向布置，在Y方向邊界50m處開切眼，模型9煤工作面推進200m后另一側仍將有50m邊界煤柱，2個相鄰工作面間煤柱為30m。11煤工作面沿模型Y方向布置，因考慮到上層煤柱的影響，選擇在X方向邊界30m處開切眼，推進320m后工作面進入9煤右側工作面采空區下方即停止計算。

從圖3～圖4中可看出，煤層開挖后，圍巖出現應力集中現象和卸壓現象，前者發生在工作面及切眼兩端，其應力最大值一般位于工作面煤壁前方與切眼后方不遠處，隨著推進長度的增加，應力集中程度不斷加大，范圍擴大并向煤柱深部轉移，底板應力也向煤柱內部轉移，進入煤體中，應力集中程度逐步減弱；后者發生在采空區正上方、正下方巖體中，同時在煤壁后方不遠處，由于塑性破壞造成應力釋放，也出現卸壓現象[4]。

圖3 工作面垂直布置情況

圖4 工作面開采180m（E：10的冪次方）

2.3.2.3 支護強度驗證

支架的支護強度并不是越大越好，支架支護強度過大，會降低支架上方頂板的完整程度，增加設備的采購成本，支架支護強度的大小存在一個合理的范圍。通過FLAC3D軟件，預測不同支護強度下頂板下沉量，從而繪制液壓支架支護強度與頂板下沉量的“P-ΔL”曲線[5]。

隨著支架支護強度的增加，頂板的下沉量逐漸減小，當支護強度增加到一定值后，支護強度再增加，對頂板下沉量影響較小，但低于此支護強度時，支護強度的減小對頂板下沉量的變化影響較大，這個支護強度即可選定為支架合理支護強度。由支架支護強度P與頂板最終下沉量ΔL關系曲線（圖5）可知，當支護強度為1.3MPa～1.4MPa時，其頂板下沉量隨支護強度的增加而減少的程度明顯下降，結合應力及破壞區圖分析，確定支架的合理支護強度區間應為1.3MPa～1.4MPa。

圖5 頂板下沉量與支護強度變化曲線

綜上，確定后安煤礦近距煤層垂直布面的液壓支架支護強度為不低于1.3MPa。

2.4 支護阻力確定

T=P（L+C）×B/K

式中：T— 工作阻力，kN；P— 支護強度，1300kN/m2；L— 頂梁長度，5m；C— 頂梁前端到煤壁的距離，0.7m；B— 中心距，1.75m；K— 支護效率，取0.9。

T=1300×（5+0.7）×1.75/0.9=14408kN，圓整取15000kN。

最終，確定后安煤礦11#煤層東采區液壓支架型號為ZY15000/28/55型兩柱掩護式液壓支架。

3 周邊類似礦井對比

后安煤礦周邊礦井有平朔東露天礦和平朔二號井。平朔東露天礦對11#煤層采用露天開采，揭露后的記錄顯示，11#煤層頂板以灰巖為主，松散易碎。煤層厚度穩定。東露天礦與后安煤礦距離較近，煤層地質情況與后安煤礦相似度較高。平朔二號井對11#煤層采用井工開采，工作面使用ZY11000/25/55D型兩柱掩護式液壓支架，上下層工作面采用順向布置，共開采7個工作面。開采過程中的記錄顯示，11#煤層頂板壓力適中，11000kN工作阻力支架滿足工作面開采使用。

4 工作面過垂直煤柱的安全措施

在距離垂直煤柱3m～5m時提前對工作面液壓支架進行調整，保證支架具有較好的工作狀態。監測工作面礦壓，控制推進速度，調整周期來壓位置，使工作面老頂提前破斷，確保液壓支架在經過上層煤垂直煤柱期間不出現老頂周期來壓。

在距離垂直煤柱 3m～5 m 時，對工作面進行調斜，避免液壓支架同一時刻進出垂直煤柱，縮短礦壓影響范圍。

加強工作面頂板和底板管理，出垂直煤柱時必須跟機移架、擦頂移架，嚴格接頂。采煤機割煤時底板平整，避免出現臺階和波浪起伏，防止支架傾倒事故。

控制液壓支架采高，不能過高或過低。一方面保證頂板壓力大時液壓支架立柱有足夠的伸縮量，避免壓死以及采煤機不能正常通過的問題； 另一方面又要避免因采高過大而導致懸頂倒架的問題。

5 結論

后安煤礦地理位置屬于平朔地區，周邊的國興煤礦、國強煤礦、盧家窯煤礦等都有類似地質情況。

通過經驗估算法和數值模擬法，綜合驗證了后安煤礦11#煤層液壓支架工作阻力，最終確定為15000kN。

后安煤礦綜采項目填補了行業內近距煤層垂直布面大采高開采的空白，為類似項目的開展提供了參考。