裴溝煤礦31111工作面端頭應力分布及支架適應性研究

趙延甫　李飛越

【摘要】隨著綜采技術的發(fā)展，綜放工作面端頭支護逐漸成為頂板管理的重點。綜放工作面端頭是集采煤、運輸、通風、行人為一體的重要出口，具有設備眾多，支護面積大，支護強度高等特點，端頭支護質量的好壞直接影響著礦井的正常安全生產。以裴溝煤礦為研究對象，采用現場研究和數值模擬相結合的方法，分析了31111工作面端頭應力分布狀況，同時計算出了工作面和上端頭頂板的壓力，對所采用支架支護的適應性進行了研究。

【關鍵詞】綜放開采 數值模擬 端頭支架 應力分布

【中圖分類號】TD82 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）39-0221-02

一、引言

綜放工作面端頭是工作面頂板事故多發(fā)地點，以往端頭支護的方式一般為木垛、石架等，后來又變?yōu)閱误w液壓支柱加十字鉸接頂梁的聯合支護，目前普遍采用的是端頭支架支護。對于端頭頂板的破壞和支護，學者們進行了大量的研究。在頂板破壞形式上，形成了統(tǒng)一的理論，即工作面端頭會形成“弧三角形懸板”結構。江光宏等根據現場實際觀測，以及實驗室相似模擬試驗證明，在頂板巖層比較穩(wěn)定時，工作面端頭頂板會形成“弧三角形懸板”結構，證實了“弧三角形懸板”的存在。宋振騏等，康立勛等，宋選民等，朱德仁等通過對放頂煤采煤工作面頂煤的運動規(guī)律進行研究發(fā)現，采煤工作面端頭頂煤的下位部分將會產生許多水平裂隙或離層，這些離層的出現降低了頂煤層的分層厚度，不利于在工作面端頭形成有利于護頂的“弧三角形懸板”。在支護理論上，金桃等運用UDEC模擬軟件分析了端頭支護強度與端頭頂板穩(wěn)定性的關系，發(fā)現隨著端頭支護強度的增加，端頭頂板下沉量減小。曹勝根等應用UDEC程序分析了綜放開采端面頂板穩(wěn)定性與支架工作阻力及端面距的關系，發(fā)現端面頂板冒落情況與支架工作阻力及支護角度密切相關。本文以裴溝煤礦31111工作面端頭為研究對象，通過CDEM模擬軟件分析了端頭的應力分布情況，同時，通過計算，對工作面支架和端頭支架的適應性進行了研究。

二、31111工作面情況

工作面走向長1600m，傾斜長139m，平均煤厚7.2m，煤層賦存較穩(wěn)定，煤層傾角8～24°，平均傾角16°，煤硬度系數0.374。直接頂為泥巖或砂質泥巖，平均6m左右，直接頂隨回采放頂逐步垮落，老頂為大占砂巖，平均7m左右，直接底板為泥巖或砂質泥巖，平均10m左右，頂底板完整性較好。該工作面回風巷、運輸巷外段均為36#U型鋼支架支護巷道，設計高度為3.5m，下寬為5.3m，凈斷面為15.1m2。工作面采用綜采放頂煤工藝，采煤機型號：MG250/600-WD，采高2.7m，選擇ZF6400/19/32型液壓支架86架，過渡支架選用ZFG6400/21/32型6架，上下端頭各3架。下端頭采用ZFT21000/18/35型端頭支架支護頂板，液壓支架寬度1.5m，額定工作阻力6400KN。

三、31111工作面上端頭應力分布

利用中科院力學所研制的CDEM數值模擬軟件，計算31111工作面上端頭應力分布。依據31111工作面圍巖條件和巖層的參數，建立三維數值模型，模型包括煤層下方25m、二1煤層和煤層上方100m左右的巖層范圍，共包括10個巖層，模型四周和底面位移約束，頂面施加垂直應力，如圖1所示。

四、工作面支架支護阻力驗算

ZF6400/19/32型放頂煤液壓支架是根據鄭州地區(qū)煤層地質特征，總結國內外綜采技術成果，分析各種掩護式支架特點和使用經驗的基礎上研制開發(fā)的掩護式放頂煤液壓支架。該支架的顯著特點一是結構簡單、主要參數合理，結構比較完善，功能較為全面，縱橫穩(wěn)定性可靠；二是進行了優(yōu)化設計，改善了支架的受力狀況，提高了支架的使用壽命。

針對31111工作面的地質條件，結合支架架型分析，應用以下2種方法計算支架工作阻力。

①頂板結構分析估算法

該計算方法的理論基礎是工作面支架工作阻力承受直接頂和頂煤的載荷，并平衡基本頂失穩(wěn)對支架的動載，支護強度計算公式為：

考慮動載因素的影響，取動載系數為1.5，則支架最大工作阻力需要（2745～3060）×1.5=4118～4590kN。

根據上述計算結果，通過2種方法計算的合理支架工作阻力分別為4032kN和4590kN，均小于31111工作面選擇的ZF6400/19/32型支架的工作阻力6400kN。因此，可見31111工作面正常支護段選擇的ZF6400/19/32型支架，工作阻力能夠滿足31111工作面頂板支護要求。

五、端頭支架支護阻力驗算

ZFG-6400/21/32型過渡支架為伸縮桿式放頂煤過渡支架，該支架由煤科總院北京分院開采裝備所研發(fā)設計。該支架克服了傳統(tǒng)的反四連桿過渡支架空間狹小的缺點，梁端距穩(wěn)定，能夠為采煤機，前后刮板輸送機提供充足空間，并保證了有較為順暢的行人通道和通風斷面。

從支護性能上分析，伸縮桿式過渡支架的穩(wěn)定機構采用了導桿，取代了傳統(tǒng)的正四連桿或反四連桿，導桿與底座箱體尺寸合理配合，導桿在箱體上下相對運動過程中，縱向尺寸和橫向尺寸不變，從而在理論上保證支架在不同高度位置，梁端距不變。支架設計有內伸式伸縮梁，推力達到247kN，最大伸縮量為800mm，伸縮行程大于割煤步距，能夠保證超前（采煤機割煤前）及時支護因片幫暴露的頂板或采煤機割過后新暴露出的頂板，護幫板可以防止煤壁片幫，在煤壁少量片幫時還可以向外伸直防止頂煤冒落。

由數值計算分析結果和現場測試可知，上端頭煤體所承受的壓力比工作面平均應力高1.2倍左右，31111工作計算所需的最大支護阻力為4590kN，則上端頭所需的最大支護阻力為4590×1.2=5508kN<6400kN。因此，31111工作面上端頭過渡支架支護阻力滿足需要。

六、結語

通過采用CDEM數值模擬分析和計算，得到了裴溝煤礦31111綜放工作面端頭頂板的應力分布，驗證了工作面支架和過渡支架的適應性，可以得到如下結論：

1.工作面煤壁超前20～30m范圍內是支承壓力影響區(qū)，應力集中系數約為2，其中工作面中部應力集中程度最高，工作面上端頭位置應力值小于工作面中部，為工作面平均應力值的1.2倍。

2.采用頂板結構分析估算法和現場實測數據計算，工作面支架工作阻力分別為4032KN和4590KN，ZF6400/19/32型支架能夠滿足31111工作面頂板支護的要求。

3.上端頭所需的最大支護阻力為5508KN，ZFG-6400/21/32型過渡支架能夠滿足31111工作面上端頭頂板支護的要求。

參考文獻：

[1]蘆浩.綜放工作面端頭支護技術分析[J].江西煤炭科技，2014，（01）：52-53.

[2]宴玉書.我國煤礦軟巖巷道圍巖控制技術現狀及發(fā)展趨勢[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1996：l-19.

作者簡介：

趙延甫（1983.10-），男，漢族，河南省鞏義市，大學本科，副主任科員，研究方向：采礦工程。

李飛越（1969.9-），男，漢族，河南永城市，研究生，工程師，研究方向：煤礦安全管理。