復雜結構煤層支架-圍巖關系研究

周 焱

(安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

煤礦開采過程中，不同厚度夾矸層時常影響支架與圍巖的穩定性，嚴重時可造成支架-圍巖間的失穩[1-2]。不同學者都進行了大量研究，王國法等[3-4]研究了支架與圍巖的耦合關系，并通過研究頂板與支架載荷間的關系，將其分為液壓支架與圍巖的剛度、強度與穩定性耦合；杜鋒等[5]采用理論分析、數值模擬、現場實測方法，對薄基巖綜放采場支架-圍巖關系進行了研究，得出了支架工作阻力在薄基巖綜放開采中的計算方法；解盤石等[6]采用數值模擬和相似模擬相結合的方法，對煤矸互層頂板在不同夾矸層數中的失穩規律進行了分析，并提出重點防護傾斜工作面中部煤矸互層頂板；許永祥等[7]在液壓支架與圍巖相互作用的基礎上，分析了圍巖“大、小結構”耦合對工作面圍巖支護效果的影響；萬麗榮等[8]通過數值模擬對支架所受載荷進行分析，得出支架的變化趨勢與載荷作用位置有關。綜上所述，現有的研究成果多基于簡單煤層條件下對支架-圍巖關系進行研究和分析，對較復雜煤層條件下支架-圍巖關系仍需進一步研究。

本文以淮北袁店一礦為研究背景，采用FLAC3D模擬了不同厚度夾矸層對支架的影響，通過現場實測對支架的適應性進行分析，保證了礦井的安全生產。

1 工程概況

81煤厚2.50～3.42 m，平均厚2.96 m；82煤厚1.52～4.26 m，平均厚2.89 m，81煤與82煤之間含有夾矸，夾矸的厚度分布不均，平均厚度為3.20 m，巖性為泥巖或炭質泥巖。煤層傾角6～11°，平均傾角為9°。基本頂為平均厚度1.89 m的泥巖，直接頂為平均厚度8.67 m的砂泥巖互層，直接底為平均厚度1.85 m的泥巖，基本底為平均厚度9.43 m的粉砂巖。液壓支架的型號為ZF9600-17.4/28，沿工作面傾向方向布置133架。

2 液壓支架數值模擬研究

2.1 數值計算模型建立

為了研究不同厚度夾矸對液壓支架所受載荷的影響以及圍巖的演化特征，采用FLAC3D對821工作面進行模擬， 821工作面的數值計算模型如圖1(a)所示。模型尺寸為：走向×傾向×高度=300 m×200 m×140 m，走向和傾向方向各留40 m邊界煤柱，81煤與82煤間夾矸厚度分別為2 m、3 m、4 m，并通過Midas導入液壓支架模型，局部液壓支架模型如圖1(b)所示。

圖1 數值計算模型圖

2.2 液壓支架應力分析

工作面推進過程中，支架在不同厚度夾矸情況下載荷變化趨勢不同，不同厚度夾矸液壓支架的應力分布云圖如圖2所示，支架整體受力呈現非對稱性，整體受力呈現出逐漸降低的趨勢，支架頂梁所受應力在2 m、3 m、4 m 夾矸厚度時分別為15.6 MPa、11.2 MPa、7.5 MPa。由于支架受到非對稱載荷，支架立柱與頂梁和底座連接部位出現應力集中現象，支架立柱與底座在2 m、3 m、4 m夾矸厚度時應力集中值分別為16.3MPa、13.4MPa、9.1MPa。由于受到傾角的影響，支架前立柱所受應力大于后立柱所受應力，夾矸厚度為2 m時，前、后立柱所受應力值分別為35.1 MPa、34.2 MPa。夾矸厚度為3 m時，前、后立柱所受應力值分別為31.8 MPa、28.2 MPa。夾矸厚度為4 m時，前、后立柱所受應力分別為26.3 MPa、23.8 MPa。支架立柱與底座接觸部位為壓應力，局部區域出現拉應力。綜上所述可得，夾矸的厚度對液壓支架受力分布有明顯的影響，液壓支架整體所受載荷隨著夾矸厚度的增大而逐漸減小。

圖2 不同厚度夾矸液壓支架垂直應力情況

2.3 圍巖變化特征

工作面走向方向圍巖分布特征如圖3所示，采空區頂底板、煤壁前方分別出現張拉破壞、剪切破壞，采空區頂板的破壞范圍比底板的破壞范圍大，上覆巖層與未采煤壁之間存在相互作用力，因此未采煤壁處表現為剪切破壞，支架上方的破壞高度在夾矸厚度為2 m、3 m、4 m時分別為27.3 m、23.8 m、18.6 m，呈現出逐漸減小的趨勢，隨著夾矸厚度的增大頂板的破壞高度逐漸減小，支架下方有明顯的張拉破壞，容易造成液壓支架的失穩。

圖3 工作面走向方向圍巖分布特征

3 工作面礦壓實測分析

為了更加精確地掌握工作面支架工作阻力的變化規律，回采期間重點監測了靠近運輸巷的15號支架、工作面中部的65號支架及靠近回風巷的115號支架，監測結果如圖4所示。

圖4 支架工作阻力曲線圖

由圖4可知，礦壓顯現在工作面上具有分區的特征，支架工作阻力在中部區域比上部、下部區域大，初次來壓時的步距為30 m，工作面中部的來壓步距為14～16 m，上部、下部的來壓步距為18～20 m。

工作面15號支架、65號支架、115號支架工作阻力主要出現在5 200～5 800 kN、5 700～6 300 kN、5 400～6 000 kN,平均工作阻力分別為5 490 kN、6 176.3 kN、5 713 kN;位于工作面中部的頂板活動比較活躍，斷裂的上覆巖層受到兩側巖塊的作用力較小，來壓強度在工作面中部時較大，支架載荷整體呈現出中部區域大于上部和下部區域的特征。

支架在工作面推進過程中最大工作阻力為8 120 kN，支架仍有15.4%的富余量，支架具有良好的穩定性，能夠滿足821工作面的支護要求，保證工作面的安全回采。

4 結 語

1) 通過數值模擬分析得出，液壓支架所受最大主應力在夾矸厚度為2 m、3 m、4 m時分別為35.1 MPa、31.8 MPa、26.3 MPa，可得支架所受載荷隨著夾矸厚度的增大而逐漸減小，同時液壓支架立柱與頂梁和底座的連接部位有應力集中現象出現。

2) 由圍巖變化特征分析得出，支架上方頂板的破壞高度在夾矸厚度為2 m、3 m、4 m時分別為27.3 m、23.8 m、18.6 m，頂板的破壞高度隨著夾矸厚度的增大逐漸減小。

3) 支架在工作面推進過程中最大工作阻力為8 120 kN，支架仍有15.4%的富余量，支架具有良好的穩定性，能夠滿足821綜放工作面的支護要求。