厚煤層綜放開采礦山壓力顯現規律及液壓支架選型研究

許姣

(晉能控股裝備制造集團 智能制造事業部， 山西 晉城 048000)

0 引言

伴隨著經濟的發展與技術的進步，機械化開采方式已經成為煤礦開采的主流，其中針對特厚煤層，常采用綜放開采的方式進行煤層開采，經濟效果顯著[1-3]。但伴隨著厚煤層的開采，常導致礦壓顯現異常，誘發冒頂等事故的發生，嚴重影響了煤礦的安全高效開采。因此，分析厚煤層綜放開采條件下礦壓顯現規律，選擇合適的液壓支架，并進行支架選型適應性分析，具有較大的研究意義[4-5]。

本文針對某礦8202工作面開采時礦壓顯現異常的情況，建立數值計算模型，并通過理論分析的方式研究不同開采距離時礦壓顯現規律，進行液壓支架的選型與適應性研究。

1 綜放工作面礦壓顯現規律

某礦8202工作面埋深239～315 m，煤層平均厚度大小為7.1 m，在進行開采方案設計時，設計采煤高度為3.4 m，放煤高度為3.7 m。設計工作面開采寬度為210 m，工作面推進方向長度為1 255 m。煤層上方老頂為中粒砂巖，直接頂為細砂巖，直接底為粉砂巖，老底為中粒砂巖。煤層所處地質環境十分簡單，區域內受斷層等地質構造影響較小。使用FLAC3D數值模擬軟件，以8202工作面所處地質環境為背景，并作一般化處理，建立數值計算模型，如圖1所示。煤巖層的物理力學參數如表1所示。

圖1 數值計算模型

表1 煤巖體力學參數

為研究工作面推進至不同位置時采場應力變化規律及塑性區變化特征，分析厚煤層綜放開采礦壓顯現規律，建立數值計算模型，分析工作面推進距離為100 m、160 m、220 m時，工作面超前支承壓力變化規律及頂底板塑性區變化特征。

圖2為工作面推進距離分別為100 m、160 m、220 m時，超前支承壓力的變化規律。由圖2可得，當工作面推進100 m時，超前支承壓力峰值為26.1 MPa；當工作面推進160 m時，超前支承壓力峰值為31.6 MPa；當工作面推進220 m時，超前支承壓力峰值為34.7 MPa。隨著工作面的推進，應力集中程度逐漸增大，礦壓顯現明顯。

(a) 推進100 m

(b) 推進160 m

(c) 推進220 m

隨著工作面的開采，工作面上方“三帶”形成，底板逐漸出現塑性破壞，如圖3所示。由圖3可以看出，當工作面推進100 m時，頂板出現拉剪破壞，底板塑性區范圍較小；當工作面推進160 m時，頂板拉剪破壞范圍進一步增大，底板塑性區范圍也出現增大趨勢；當工作面推進220 m時，覆巖運動，頂板產生較大塑性區，底板塑性區范圍、深度逐漸增大，直接頂與基本頂已經產生較大離層，礦壓顯現明顯。

(a) 推進100 m

(b) 推進160 m

(c) 推進220 m

2 液壓支架選型分析

針對厚煤層開采，液壓支架的選擇十分關鍵，合理的液壓支架型號決定了煤炭是否能夠安全高效地生產。經分析表明，以下因素是液壓支架選型的關鍵：

1) 支架的工作阻力與初撐力需要符合設計要求，符合礦壓顯現規律，保證安全開采。

2) 支架的支護高度需符合安全開采要求，其最大支護高度需大于待開采煤層厚度。

3) 考慮到支架下方底板的巖性，其抗壓能力需符合要求。

4) 針對暴露頂板，支架需要起到良好的保護作用，故支架的支護特點、完整性需符合要求。

5) 支架需保證煤炭的安全高效開采。

8202工作面為厚煤層開采，采用綜合放頂煤方式進行煤炭開采，故在液壓支架選型時選擇四柱支承掩護式液壓支架。本文選擇ZFY18000/25/39D液壓支架，支撐高度為2.5 m～3.9 m，支護強度為1.5 MPa，工作阻力為18 000 kN，下面分別從支撐高度、支護強度、工作阻力三個方面對支架選型進行驗算。

2.1 支撐高度

在進行支承高度分析時，需要考慮煤層厚度大小，保證所有煤層能夠安全開采，其中液壓支架高度需要滿足以下要求：

Hmax≥hmax+0.2

(1)

Hmin≤hmin+0.2

(2)

式中:Hmax、Hmin分別為支架需要滿足的最大、最小支護高度，hmax、hmin分別為煤層的最大、最小厚度。由于本文為厚煤層，開采厚度為3.4 m，故支架需要滿足支護高度大于3.6 m，本文選擇的液壓支架符合要求。

2.2 支護強度

支架的支護強度Q需要滿足以下條件：

(3)

(4)

式中：h為煤層開采高度，經分析可知，開采高度為3.4 m；γ為容重，取2.7 t/m3；k為工作面開采后頂板的動載系數，取1.3；N為計算時考慮的附加阻尼系數，取1.2；d為頂板巖石的碎脹性系數，取1.25；α為煤層的傾角大小，取6°；n為工作面開采時考慮的不均衡安全系數，取1.75。

可以得出Q1與Q2的大小分別為0.56 MPa、0.63 MPa。本文選擇的液壓支架支護強度數值為1.5 MPa，故所選型號符合要求。

2.3 工作阻力

Fs=Ps·A·Bc/Ks

(5)

式中：Fs為支架的工作阻力大小，kN；Ps為額定支護強度；A為中心距大小，取2.15 m；Bc為支架的最大控頂距大小，取4.5；針對本文液壓支架類型，Ks取0.9。

將數據帶入式(5)可得，F=11 945 kN<18 000 kN，符合設計要求。

通過以上分析可以得出，本文所選的ZFY18000/25/39D液壓支架從支撐高度、支護強度、工作阻力等方面都符合設計要求。

3 應用效果分析

ZFY18000/25/39D液壓支架已經在8202綜放開采工作面現場得到應用，并取得了良好的效果。隨著回采工作面的不斷推進，液壓支架所記錄的工作阻力曲線如圖4所示。從圖4中可以看出：隨著工作面的開采，支架工作阻力大致保持穩定，在20.0 MPa～35.0 MPa之間波動，受來壓影響出現多次阻力增大顯現，最大應力為41.3 MPa。支架工作期間運行安全平穩，并未出現意外故障。因此，結合理論分析及現場實際應用，表明本文選用液壓支架符合現場實際需求。

圖4 支架工作阻力曲線

4 結論

1) 工作面開采后，頂板首先出現塑性區，隨著工作面推進距離增大，底板受最大水平應力的影響發生塑性破壞。

2) 根據8202工作面的開采條件，選擇了ZFY18000/25/39D液壓支架，并使用理論分析的方式分析了支架的支撐高度、支護強度、工作阻力，結合現場實際應用，驗證了方案的可行性。