軟弱煤層綜采放頂煤支架參數(shù)數(shù)值模擬及支架適應(yīng)性分析

祁康華

（霍州煤電集團(tuán)豐峪煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

1 工程概況

晉煤集團(tuán)翼城晟泰青洼煤業(yè)2103工作面為綜采放頂煤工作面，本工作面主要開(kāi)采2#煤層，實(shí)際埋藏深度為216.4～237.7m，煤塊表面有金屬光澤，煤的強(qiáng)度約為12.6MPa，煤質(zhì)較軟，容重為1.43t/m3，煤層傾角為8～11°，平均9.5°，煤層厚度為3.85～6.2m，平均厚度4.66m，煤層中夾0～1層夾矸，夾矸總厚度為0～0.5m，穩(wěn)定可采，2號(hào)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)斷層以及其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中煤層頂板為黑色粉砂巖，質(zhì)地較脆，底板為深灰色泥巖，煤體裂隙比較發(fā)育，該工作面水文地質(zhì)條件中等，工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤工藝開(kāi)采，全部垮落法管理頂板，工作面中間架采用ZFY5000/17/33型，共91架，端頭架采用ZFS5800/18.5/33型，共6架，其中ZFY5000/17/33為兩柱掩護(hù)式支架。

2 2103綜采工作面放頂煤支架數(shù)值模擬

2.1 模型建立

針對(duì)2103綜采放頂煤工作面中支架選型，對(duì)支架的適應(yīng)性進(jìn)行了合理性分析，礦方采用ABAQUS軟件[1-2]對(duì)整個(gè)工作面放頂煤工藝過(guò)程進(jìn)行了建模，模型長(zhǎng)25.0m，高10.0m。模擬支架結(jié)構(gòu)依據(jù)ZFS5000/17/33放頂煤液壓支架進(jìn)行設(shè)計(jì)，頂煤選用實(shí)體單元，材料本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型，為方便建立接觸關(guān)系及分析支架頂梁受力狀態(tài)，支架頂梁采用實(shí)體單元，其中梁?jiǎn)卧獞?yīng)用于支架掩護(hù)梁、底座及四連桿，材料均采用線彈性本構(gòu)模型，建立模型如圖1所示。

圖1 放頂煤支架模型圖

2.2 頂梁前后比[3]數(shù)值模擬

本次工作面放頂煤應(yīng)用的支架為ZFY5000/17/33，其支柱形式為兩柱掩護(hù)式，兩柱掩護(hù)式放頂煤支架可根據(jù)控頂需要來(lái)確定立柱上鉸點(diǎn)位置，即改變頂梁的前后比值，從而提高梁端支撐力，以利于對(duì)端面冒頂?shù)目刂疲诓煌闹Ъ芮昂箜斄罕认拢斆旱恼w穩(wěn)定性也不相同，所以為了確定合適的前后頂梁比，礦方分別在支架前后頂梁比值為0.72、1.31、2.42的情況下，對(duì)頂煤的破壞情況進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同頂梁前后比對(duì)頂煤破壞效果模擬結(jié)果圖

圖2 為不同的頂梁前后比下，支架對(duì)頂煤的破壞效果模擬，觀察圖 2 中（a）（b）（c）可以看出隨著頂梁前后比值的增大，支架頂部煤體開(kāi)始發(fā)生回轉(zhuǎn)變形，其中當(dāng)支架前后頂梁比值為2.42時(shí)，端面頂板下沉量為312mm，變形量較大，穩(wěn)定性相對(duì)較差，這是因?yàn)榇藭r(shí)支架頂梁的垂直工作阻力僅為0.46MPa，水平工作阻力為0.09MPa，支架不足以支撐頂煤的壓力；當(dāng)支架前后頂梁前后比值為1.31時(shí)，支架頂部煤體變形量變小，端面頂板下沉量為62mm，支架頂梁垂直工作阻力為0.53MPa，水平工作阻力為0.11MPa，支架穩(wěn)定性相對(duì)提高；當(dāng)支架頂梁前后比值為0.72時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)支架的整體性能提高，頂煤保持平穩(wěn)下沉，此時(shí)支架頂梁的垂直工作阻力為0.65MPa，水平工作阻力為0.13MPa，端面頂板下沉量?jī)H為54mm，支架控制效果良好；由此可見(jiàn)，在軟煤條件下，頂梁前后比減小，即立柱上鉸點(diǎn)位置靠前，既可以大幅提高支架的整體支撐能力，又可以提高其頂梁前端的支撐能力，因此可以確定本工作面合適的頂梁前后比值為0.72。

2.3 平衡千斤頂工作阻力模擬

本次工作面所用支架中平衡千斤頂是保持支架頂梁穩(wěn)定的重要部分，為了確定平衡千斤頂?shù)暮线m工作阻力，分別對(duì)平衡千斤頂工作阻力為0kN、1000kN、2000kN下回采過(guò)程對(duì)頂煤的破壞效果進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 平衡千斤頂不同工作阻力下對(duì)頂煤破壞效果模擬圖

圖3 中分別展示出了平衡千斤頂不同工作阻力下支架對(duì)頂煤的破壞效果模擬圖，觀察圖3（a）可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)平衡千斤頂?shù)墓ぷ髯枇?kN時(shí)，頂煤發(fā)生了回轉(zhuǎn)變形，支架頂梁穩(wěn)定性差，端面頂板下沉量嚴(yán)重達(dá)到了444mm，觀察圖3（b）伴隨著平衡千斤頂工作阻力的增大，支架頂梁穩(wěn)定性有所提升，此時(shí)端面頂板下沉量為312mm，可以看出與平衡千斤頂工作阻力為0kN相比僅僅減少了29.7%，端面頂板下沉量得到了控制，但控制效果不是太理想，觀察圖3(c)當(dāng)平衡千斤頂工作阻力為2000kN時(shí)，支架頂梁穩(wěn)定性強(qiáng)，此時(shí)端面頂板下沉量為123mm，與平衡千斤頂工作阻力為0kN相比減少了72.2%，與平衡千斤頂工作阻力為1000kN相比減少了60.5%，端面頂板下沉量也得到了較好的控制，通過(guò)以上分析可以得出平衡千斤頂合適的工作阻力為2000kN。

3 工業(yè)實(shí)驗(yàn)

3.1 支架工作阻力[4]觀測(cè)

當(dāng)支架采用上述模擬結(jié)果，即將支架頂梁前后比調(diào)整為0.72，平衡千斤頂工作阻力調(diào)為2000kN，礦方為了了解支架的實(shí)際應(yīng)用效果，為此進(jìn)行了工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，本次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)布置在2103綜采放頂煤工作面，同時(shí)為了確保整個(gè)工作面支架的工作狀態(tài)能夠滿足生產(chǎn)要求，使現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)更加豐富，礦方分別在工作面上部、中部、下部選擇了5架支架，從而來(lái)確保監(jiān)測(cè)相對(duì)準(zhǔn)確，本次觀測(cè)主要通過(guò)對(duì)支架工作阻力進(jìn)行觀測(cè)，工作阻力的觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析得到2103工作面回采過(guò)程中支架工作阻力統(tǒng)計(jì)分析表。

表1 工作面上部支架工作阻力統(tǒng)計(jì)分析表

表2 工作面中部支架工作阻力統(tǒng)計(jì)分析表

表3 工作面下部支架工作阻力統(tǒng)計(jì)分析表

通過(guò)整理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到表1，從表1中可以看出非來(lái)壓期間，放頂煤前工作面上部支架的最大工作阻力為5914kN，占據(jù)額定工作阻力比值的69.6%，放煤后最大工作阻力為5259kN，占據(jù)額定工作阻力的61.9%，從數(shù)據(jù)來(lái)看放煤前工作阻力是放煤后的1.11倍；而在頂板來(lái)壓期間，放煤后工作阻力與放煤前相比，降低了935kN，約11個(gè)百分點(diǎn)，放煤前最大工作阻力與非來(lái)壓期間最大工作阻力相比，同比增長(zhǎng)了1684kN，約19.8個(gè)百分點(diǎn)；在以上對(duì)比中可以得出放煤后工作阻力都會(huì)下降，而在頂板來(lái)壓期間支架工作阻力的利用率會(huì)有所提高，工作面上部支架工作阻力都處于額定工作阻力之下，另外支架在放頂煤期間支架額定工作阻力利用率達(dá)到了89.4%，支架支撐能力得到了較大的發(fā)揮。

表2為工作面中部的液壓支架在回采過(guò)程中工作阻力觀測(cè)統(tǒng)計(jì)分析表，非來(lái)壓期間支架最大工作阻力為6178kN，支架額定工作阻力利用率為72.7%，來(lái)壓期間中支架最大工作阻力為7500kN，額定工作阻力利用率達(dá)到最大值為88.2%，可以看出工作面支架工作阻力在額定工作阻力范圍內(nèi)，支架能夠?qū)ぷ髅嬷胁科鸬搅己玫闹巫饔茫环治霰?中數(shù)據(jù)可以得出工作面下部支架在回采過(guò)程中最大工作阻力為8195kN，此時(shí)的支架支撐能力得到了最大程度的發(fā)揮，利用率達(dá)到了96.4%，可以看出下部支架運(yùn)行狀態(tài)處于正常，額定工作阻力利用率達(dá)到最高值96.4%。

綜上所述，通過(guò)對(duì)表1、表2、表3進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)支架在整個(gè)回采過(guò)程中處與正常工作狀態(tài)，支架的支撐能力得到了較高程度的發(fā)揮，其中最高達(dá)到了為96.4%，支架的適應(yīng)性效果良好。

4 結(jié) 論

針對(duì)晉煤集團(tuán)翼城晟泰青洼煤業(yè)2103綜采放頂煤工作面，為了確定放頂煤支架在生產(chǎn)過(guò)程中的合適參數(shù)，本次對(duì)2103工作面所選支架的前后頂梁比以及平衡千斤頂?shù)墓ぷ髯枇M(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了較為合適的前后頂梁比為0.72，平衡千斤頂?shù)暮线m工作阻力為2000kN，為了驗(yàn)證支架的實(shí)際應(yīng)用效果，礦方對(duì)支架工作阻力進(jìn)行了觀測(cè)，分析后發(fā)現(xiàn)支架工作阻力都在額定工作阻力之下，而且支架的利用程度較高，最高達(dá)到了額定工作阻力的96.4%，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，為煤礦安全生產(chǎn)提供了安全保證。