綜放工作面支架支護阻力對頂煤冒放性的影響

耿澤琛

(1.太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024;2.晉城煤業集團,山西 晉城 048006)

綜放工作面支架支護阻力對頂煤冒放性的影響

耿澤琛1,2

(1.太原理工大學 礦業工程學院,太原 030024;2.晉城煤業集團,山西 晉城 048006)

通過FLAC3D軟件模擬趙莊礦1304綜放工作面不同支架支護阻力對頂煤冒放性的影響,觀察不同支護阻力下頂煤的塑性區范圍,得到在一定支護強度時,頂煤冒放性最優,超過或低于此支護強度,頂煤冒放性變差,具有一定的工程意義。

綜放開采;FLAC3D;支護阻力;冒放性

在綜放開采中,頂煤在礦山壓力和液壓支架的共同作用下被壓裂為較小的煤塊,通過放頂煤支架的頂煤放出口運送到刮板輸送機,從而將頂煤采出[1]。頂煤的冒放性對煤炭采出率有很大的影響。頂煤在采場中起到了直接頂的作用,頂煤的變形和破碎是一個復雜的過程,在放頂煤采場的“支架-圍巖”關系中,支架通過頂煤控制采場頂板,頂板壓力通過頂煤作用在支架頂梁上,相比單一煤層開采,二者構成了復雜的“老頂—直接頂—支架—底板”的支撐體系[2-3]。

趙莊礦1304工作面在實際開采過程中,在頂板巖層結構變化的條件下,通過改變液壓支架的支護阻力來改善頂煤的應力場狀態,從而提高頂煤的放出率。本文通過FLAC3D數值模擬軟件,根據采場的實際條件,建立1304工作面回采模型,在模型中施加不同支護強度,通過觀察頂煤的塑性區變化,模擬分析不同支架支護阻力對頂煤冒放性的影響。

1 礦井概況

趙莊礦1304工作面位于東回風立井工業廣場南側,埋深約為411.8 m～499.8 m,開采煤層為3#煤層,煤厚平均5.36 m,平均傾角約為6°,工作面走向長度為538.6 m,傾斜長度為145.8 m。煤層基本頂為粉砂巖,直接頂為泥巖。根據煤層性質以及地質條件,采用一次采全高綜采放頂煤的采煤方法,機采采高2.8 m,放頂煤厚度為2.56 m,全部垮落法管理頂板。

2 支架支護阻力對頂煤冒放性的模擬

FLAC3D數值模擬軟件是快速拉格朗日分析程序,軟件中的庫倫摩爾模型特別適用于模擬巖石材料在一定條件下發生變形破壞的力學特性。眾多專家學者利用該軟件模擬圍巖結構變化規律以及穩定性的問題,尤其在涉及到的巖體力學特性、圍巖應力及工作面推進與采場應力場的時空關系等復雜力學問題時,取得了顯著的成果[4-5]。

2.1模擬模型建立

根據1304綜放工作面的實際地質條件,建立工作面的回采模型,基本力學模型尺寸為100 m×100 m×50 m,根據表1中巖石物理力學參數對模型中的相應巖層進行材料參數賦值,為了提高計算精度,對開采的3#煤層網格細化。

在處理模型邊界條件時,固定模型的左、右以及下邊界,約束水平方向的位移,考慮到模型未建立到地表,在模型的上邊界施加均勻豎直方向的應力以模擬上覆巖層自重。

表1 煤巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock strata

2.2模擬結果

首先初始化模型的應力,計算至平衡狀態,然后根據1304工作面的開采情況,開挖模型,模擬1304工作面放頂煤的回采過程。對工作面區域分別施加0 kN、2 000 kN、5 000 kN、8 000 kN、10 000 kN進行開挖模型的計算,用來研究不同工作面液壓支架支護阻力對工作面頂煤冒放性的影響。

在軟件的計算結果中,塑性區分布范圍表示頂煤的破壞范圍和程度,圖1為塑性區不同顏色示意圖,計算結果如圖2至圖6所示。

根據數值模擬結果,當工作面沒有液壓支架支護時,如圖2所示,受到礦山壓力的影響,頂煤破碎嚴重,但由于工作面沒有液壓支架支護,與實際情況不符;當液壓支架支護阻力達到2 000 kN時,如圖3所示,頂煤中存在大塊未破碎的煤體,導致頂煤的冒放性變差,進一步提高支架支護阻力,當達到5 000 kN時,如圖4所示,頂煤中仍存在未破碎的煤體,當支架支護阻力達到8 000 kN時,如圖5所示,頂煤的冒放性最好,基本都被破碎,可以提高頂煤的采出率。根據圖6所示,當液壓支架支護阻力達到10 000 kN時,雖然支護阻力增大了,但在頂煤中出現大范圍未破壞的煤體,頂煤的冒放性降低,且在工作面前方,相比支架支護阻力較小時,塑性區破壞范圍明顯減小。對比以上結果可以看出,在一定支護強度范圍內,隨著工作面液壓支架支護阻力增加,頂煤的冒放性不斷提高,超過該范圍時,頂煤的冒放性隨著液壓支架阻力增高而變差,增加工作面頂板的管理難度。

對比以上模擬結果可知,液壓支架的支護阻力對頂煤的冒放性具有很大的影響,在一定范圍內,提高工作面的支護強度,可以充分發揮大阻力液壓支架的支護性能,保障工作面安全生產,同時為支架上方的頂煤提供足夠的支撐力,改善頂煤的冒放性,增加放頂煤采出率,但超出該范圍后,增大支護阻力容易造成頂煤中存在大范圍未破壞的煤體,降低頂煤的冒放性,增加頂板的管理難度,對工作面安全生產產生影響。所以,在實際生產過程中,需要選擇一個合理的液壓支架支護強度,既要保證工作面安全生產,也要改善頂煤的冒放性。

3 結束語

選用FLAC3D軟件對趙莊礦1304工作面液壓支架不同支護強度下頂煤的冒放性進行了研究,根據模擬結果,可以得到以下結論:

1)當液壓支架支護阻力在8 000 kN時,頂煤的塑性區破壞范圍最大,頂煤的冒放性最好,增大或減小液壓支架支護阻力,容易導致頂煤的冒放性變差,降低頂煤的采出率。

2)在放頂煤開采工程中,在提高液壓支架支護阻力時,需要考慮對頂煤冒放性的影響,選擇合理的支護強度,既要保證工作面安全,也要改善頂煤冒放性,提高煤炭采出率。

[1] 錢鳴高,石平五,許家林.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,2010.

[2] 宋選民,康天合,靳鐘銘,等.頂煤冒放性影響因素研究[J].礦山壓力與頂板管理,1995,3(4):85-88.

[3] 王建衛,郭娜,劉曉柯.綜放工作面支架支護阻力對頂煤冒放性的影響分析[J].煤礦現代化,2015(1):6-8.

WANG Jianwei,GUO Na,LIU Xiaoke.Mechanized Caving Face Support Resistance on the Top Coal Caving of Impact Analysis[J].Coal Mine Modernization,2015(1): 6-8.

[4] 胡國偉,靳鐘銘.基于FLAC3D模擬的大采高采場支承壓力分布規律研究[J].山西煤炭,2006,26(2):10-12.

HU Guowei,JIN Zhongming.Research on Distribution Laws of Abutment Pressure in Large Mining Height Workface by FLAC3DSimulation[J].Shanxi Coal,2006,26(2):10-12.

[5] 彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京：機械工業出版社,2008.

EffectsofWorkingResistanceonTop-coalCavinginFully-mechanicalWorkingFace

GENGZechen1,2

(1.CollegeofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.JinchengCoalGroup,Jincheng048006,China)

FLAC3Dwas used to simulate the effects of different working resistance on the top-coal caving in No.1304 fully-mechanical working face in Zhaozhuang Mine in order to observe the plastic zone range under the different supporting resistance. The results show that, while the top-coal caving is optimal at a certain supporting strength, the top-coal caving is worse when supporting strength is more than or less than that certain value.

fully-mechanized mining; FLAC3D; supporting resistance; top-coal caving

1672-5050(2017)04-0005-03

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.002

2017-06-12

耿澤琛(1988-),男,河北深州人,在讀工程碩士,政工師,從事煤礦井下支護技術研究。

TD355

A

(編輯:楊 鵬)