關家崖8104工作面過上覆采空區支架選型研究

楊文豪

(1.華潤煤業(集團)有限公司,太原 030024;2.太原華潤煤業有限公司 原相煤礦,山西 古交 030200)

目前,我國支架技術已經能夠滿足煤礦開采所需[1-3]。但是，實際回采過程中,受地質構造及工作面位置等因素影響,在支架的使用過程中出現了各種問題。其中,以支架選型問題最為常見。煤礦多層開采現狀大多數為“先上后下”,即先開采上層煤,隨后對下層煤進行回采,導致上層煤開采形成的采空區對下層煤回采產生一定的影響,生產中易造成漏矸嚴重,甚至支架壓死等現象[4-6]。對支架的選型往往機械式地采用經驗公式記性計算,忽略了回采期間應力演化等因素對支架選型的影響。本文以關家崖煤礦實際生產條件為背景,通過對工作面過上覆采空區支架選型的研究,為相似條件礦井提供了借鑒。

1 工程概況

1.1 工作面概況

關家崖煤礦8104工作面位于8號煤一采區,工作面對應地表位置為荒山坡,無建筑物、河流等設施,工作面煤層沉積比較穩定,平均厚度2.5 m,煤層傾角平緩,回采范圍內煤層傾角3°～10°,工作面傾斜長度130 m,走向長度410 m,采用傾斜長壁綜合機械化采煤方法。該工作面上覆4號煤層已經采空,4號煤與8號煤層間距27 m。圖1為8104工作面地層剖面示意圖。

圖1 8104工作面地層剖面圖Fig.1 Stratigraphic profile of 8104 working face

如圖1所示,在8號煤層推進至一定距離時,進入上覆4號煤采空區影響范圍,對8號煤層工作面支架的工作阻力影響較大。

1.2 圍巖特征

8104工作面直接頂為砂質泥巖,厚度2.0～3.0 m(平均厚度2.3 m),老頂為中粒砂巖、細粒砂巖、粉砂巖,厚度4.5 ～6.0 m(平均厚度約5.0 m)。8104工作面圍巖特征如表1所示。

由于工作面初期支架選型時未考慮過上覆采空區時的來壓特點,工作面回采至上覆采空區附近時,支架多數出現安全閥開啟,工作面整體來壓劇烈,嚴重影響回采速度。所以,針對工作面過上覆采空區時支架的選型是解決煤礦相關開采問題的關鍵所在。本文希望通過對關家崖煤礦過上覆采空區時支架受力及圍巖受力分析,為相似工作面高效開采提供一定的理論指導[7]。

表1 關家崖煤礦8號煤圍巖特征Table 1 Surrounding rock features of No.8 coal seam in Guanjiaya Mine

2 液壓支架選型理論計算

2.1 支架類型選擇

8104工作面直接頂巖性為泥巖,碎脹性明顯,導致回采期間工作面頂板易失穩破碎,造成漏矸現象。支撐掩護式支架具有掩護梁及支撐阻力大的特點,能夠有效地解決8104工作面頂板破碎的問題[8-9]。

2.2 支架高度計算

支架高度分為支架最大高度hmax和最小高度hmin,最大高度保障了支架與頂板的貼合,最小高度對設備裝機有重要影響。

支架最大高度一般采用經驗公式:

hmax=Hmax+(0.2～0.3) .

(1)

式中:Hmax為煤層最大開采高度,取2.75 m。則支架最大高度hmax=2.75+0.3=3.05 m。

支架最小高度:

hmin=Hmin-hs-hg-he.

(2)

式中:Hmin為煤層最小開采高度,取2.55 m;hg為支架頂底松散矸石厚度,一般取0.05 m;he為支架活柱伸縮量,取0.3 m;hs為支架后柱最大伸縮量,取0.1 m。則支架最小高度hmin=2.25-0.05-0.3-0.1=1.8 m。

2.3 支撐阻力計算

支架支撐阻力過小,滿足不了頂板來壓情況,頂板下沉量大,嚴重影響煤礦生產;支架支撐阻力過大,對強度低的頂板而言,易被過大的支撐阻力壓碎,頂板下沉量雖然減小了,但易變得破碎,回采期間將增大頂板漏矸的可能性。一般支護強度的選擇為8倍采高[10],即

p0=H8Hγ.

(3)

式中:p0為支架支護強度,MPa;H8為8倍采高,m;H為采高,m;γ為頂板容重,N/m3。

考慮到過上覆采空區時，頂板壓力受到影響而增大,支撐阻力經驗公式引入受影響系數a。則原公式變為:

p0=aH8Hγ.

(4)

取采高為2.7 m,受影響系數取3,容重取2.2×104N/m3,則最終支架支護強度p0=3×21.6×2.7×2.2×104=0.38 MPa。

經過計算,認為選擇ZY4000/16/32支架最為合適。其中,支架支護高度為1.2～3.2 m,支護強度為0.65 MPa。

3 工作面液壓支架選型數值模擬

3.1 FLAC3D數值模擬模型建立

根據工作面的地質條件及實際開采條件,建立X×Y×Z為150 m×2 m×50 m的摩爾-庫倫模型進行三維計算模擬。模型共劃分330 597個節點,26.8萬個單元格,各巖層按煤層柱狀圖依次分組,總計10層。FLAC3D三維模型視圖見圖2,巖層參數按實驗室所得巖石力學參數進行賦值,如表2所示。

圖2 FLAC3D三維模型視圖Fig.2 Three-dimensional model view of FLAC3D

表2 各巖層巖石力學參數Table 2 Rock mechanical parameters

3.2 支架模型建立

為了更好地研究工作面液壓支架的受力情況,建立長7.2 m,高1.75 m,寬1.5 m的液壓支架模型,如圖3所示。

圖3 液壓支架模型Fig.3 Hydraulic support model

支架與頂底板的接觸面利用interface命令進行節點的耦合,利用impgrid命令插入大模型進行計算。計算過程與模擬開挖過程同步,同樣采用分布插入以及分布移動,步頻與開挖過程相同。

4#煤層采空區范圍為10～60 m,8#煤開挖起始點為130 m,開挖方式為分步開挖,共計開挖80 m,每步開挖2 m,共計40步,每步分別計算至平衡。由于FLAC3D為有限元單元格,頂板在正常情況下不會出現垮落狀態,為消除8#煤采空區頂板不垮落對計算結果造成的影響,滯后開挖1步對頂板進行開挖,滯后頂板開挖過程2步對采空區進行充填。充填體采用雙屈服模型,其特點是單元中部應力較兩端較大,這與采空區的應力分布相似。

3.3 數值模擬結果分析

對8#煤開挖過程中工作面的應力、位移進行分析,圖4、圖5分別為下層煤開挖過程中工作面頂板位移及應力監測變化圖。

從圖4可以看出,隨著下層煤的開挖,下層煤工作面與上層采空區水平距離逐漸減小,各測點最大位移值逐漸增大,在62 m處(采空區邊緣下方)達到最大,為5.6 cm,頂板下沉量增大了32%,頂板變形較為嚴重。從圖5可以看出,在62 m測點處應力峰值最大,為25 MPa,約為原巖應力的9倍,其次為70 m測點處,60 m前方3 m內應力峰值較開挖過程中的應力峰值較大。

圖4 回采過程中8#煤頂板位移變化圖Fig.4 Roof displacement variation of No.8 coal seam during mining

圖5 回采過程中8#煤頂板應力變化圖Fig.5 Roof stress variation of No.8 coal seam during mining

圖6為開挖過程中巖體及支架應力演化過程。從圖6中可以看出,隨著工作面持續推進,支架及工作面圍巖受力呈“平穩-增大-減小”趨勢。開挖前32 m時,支架及圍巖受力增大趨勢不明顯,支架最大阻力保持在18 MPa上下,工作面煤壁最大應力值保持在10 MPa;當開挖至44 m時,支架最大阻力上升至23.1 MPa,由于支架支撐作用,工作面最大阻力上升至12.5 MPa;當工作面開挖50 m,即距上覆采空區10 m處時,受上層采空區對下層煤開采的影響,此時支架受力為36.3 MPa,煤壁受力為17.5 MPa;當開挖至62 m,即剛剛進入采空區時,支架阻力達到最大,為47.1 MPa,此時煤壁受力為25.0 MPa;進入采空區后,由于采空區對下方巖石有一定的卸壓作用,此時支架受力又減小至38.1 MPa,工作面受力減小至15 MPa。從工作面正常回采到進入受采空區影響期間,工作面壓力增大2.5倍,支架受力增大2.6倍,增大的倍數可作為支架選型中引入的影響系數。在提前探明回采工作面上方有采空區時,支架選型往往不能根據經驗計算簡單選型，需引入影響系數。

圖6 回采過程中支架及圍巖應力云圖Fig.6 Stress nephogram of support and surrounding rock during mining

如圖7、圖8支架最大受力和最大位移所示,支架最大受力與實際情況相同,位于支柱上側;最大位移發生在支架上側。支架上側為活柱伸縮位置,符合實際。從位移上看,伸縮量在可控范圍內,但從受力角度來講,液壓支架受力過大,嚴重影響工作面回采。

圖7 支架最大受力Fig.7 Maximum force of support

圖8 支架最大位移Fig.8 Maximum displacement of support

4 立柱受力監測

圖9為工作面支架立柱受力分布柱狀圖。由圖9可知,工作面回采期間,在1-9次數據采集過程中,支架最大受力為15.8 MPa,此時工作面在采空區影響外;在11-29次采集數據中,支架受力增大,最大為25 MPa,但支架阻力超過20 MPa的所占比例偏小。實際回采中,小部分支架安全閥開啟,但對整體回采影響不大,說明引入影響系數后對支架的選型符合回采要求。

圖9 支架受力分布柱狀圖Fig.9 Force distribution histogram of support

5 結論

1)通過理論計算認為,8104工作面適用支撐掩護式支架,支架最大高度為3.05 m,最小高度為2.55 m,支護強度為0.38 MPa。經過計算,認為選擇ZY4000/16/32支架最為合適。

2)通過數值模擬，對8#煤開挖過程中工作面的應力、位移進行分析,認為在62 m處(采空區邊緣下方)頂板下沉量增大了32%;在62 m測點處應力峰值最大,為25 MPa,約為原巖應力的9倍。

3)從工作面正常回采到進入受采空區影響期間,工作面壓力增大2.5倍,支架受力增大2.6倍,增大的倍數可作為支架選型中引入的影響系數。

4)在立柱受力監測中,支架受力最大為25 MPa,但支架阻力超過20 MPa的所占比例偏小,說明引入影響系數后對支架的選型符合回采要求。