淺埋煤層工作面頂板結(jié)構(gòu)及支架載荷研究

武月江

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司西曲礦， 山西 太原 030053）

引言

近年來(lái)，隨著采高的不斷增加，使得巷道工作面的支護(hù)成本不斷加大，由于大采高工作面的初次來(lái)壓強(qiáng)度較大，使得支架、頂板等發(fā)生破壞，嚴(yán)重限制著礦井的正常生產(chǎn)，同時(shí)由于工作面來(lái)壓強(qiáng)度較大，使得巷道的維護(hù)成本大幅度增加，所以如何控制大采高煤層頂板的穩(wěn)定性是礦井急需研究的目標(biāo)[1-4]。本文利用數(shù)值模擬軟件對(duì)西曲礦18402 工作面巷道頂板的結(jié)構(gòu)及支架的載荷進(jìn)行分析，為大采高綜采工作面礦壓的控制及頂板支架選型提供一定的參考。

1 礦井概況及數(shù)值模擬研究

西曲礦位于山西太原西山煤田西北邊緣，礦井面積為15.7 km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3.00 Mt/年。可采煤層分別為太原組8 號(hào)煤、9 號(hào)煤，煤層總厚度18.78 m，煤種分貧煤、瘦煤和貧瘦煤。西曲礦18402 工作面走向長(zhǎng)度約為3250 m，主采煤層為8 號(hào)煤層，煤層傾角1°～3°，平均傾角1.6°，煤層平均厚度3.9 m，工作面采用ZY12000/25.5/55 掩護(hù)式液壓支架，支架的額定工作阻力為12000 kN，初撐力7912 kN，支架移架步距為865 mm，支護(hù)強(qiáng)度為1.22～1.3 MPa，支護(hù)范圍為2550～5500 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，工作面的周期來(lái)壓步距為10～14 m，其持續(xù)平均長(zhǎng)度為2.2 m，在非來(lái)壓期間支架的平均工作阻力為6860 kN，在來(lái)壓期間內(nèi)，工作面的支架平均支護(hù)阻力為10900 kN，動(dòng)載系數(shù)為1.6。工作面支架工作阻力變化如圖1 所示。

圖1 工作面支架工作阻力變化圖

為了對(duì)大采高綜采面的頂板結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，本文選定UDEC 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究，首先進(jìn)行模型的建立，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料建立模型，模型長(zhǎng)度為400 m，在模型的兩端分別設(shè)置100 m 的邊界柱，中間部分為開挖部。固定模型兩端的約束，模型上端為自由端，底部限制其X、Y 向的位移，完成模型初步建立后對(duì)模型進(jìn)行物理參數(shù)設(shè)定，完成設(shè)定后為模擬不同采高下的頂板垮落規(guī)律，所以本文選定采高為5 m 和7 m。模擬結(jié)果如圖2 所示。

圖2 模擬結(jié)果圖

如圖2 可以看出，當(dāng)采高為5 m 時(shí)，此時(shí)隨著工作面的推進(jìn)，頂板直接頂發(fā)生冒落，工作面推進(jìn)至63 m時(shí)，此時(shí)的基本頂斷裂，工作面受到初次來(lái)壓，初次來(lái)壓的步距為63 m，直接頂?shù)暮穸葹?2 m，基本頂在初次來(lái)壓后形成兩組關(guān)鍵層，在初次來(lái)壓階段上組關(guān)鍵層未發(fā)生斷裂，而下組關(guān)鍵層斷裂。由于直接頂?shù)目迓錈o(wú)法完全填充采空區(qū)，所以此時(shí)的關(guān)鍵塊發(fā)生滑落，臺(tái)階出現(xiàn)下沉，在工作面的支架左上端的關(guān)鍵層形成鉸接，鉸接點(diǎn)與頂板的距離為23.7 m，而在下組關(guān)鍵層位置形成下位斜臺(tái)階巖梁。當(dāng)工作面推進(jìn)至81 m 時(shí)，此時(shí)的工作面經(jīng)歷第一次周期來(lái)壓，第一次周期來(lái)壓臺(tái)階的下沉量較初次來(lái)壓有了一定的增大，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)提供一定的支護(hù)阻力，保證臺(tái)階下沉量屬于可控狀態(tài)。當(dāng)采高為7 m 時(shí)，此時(shí)隨著工作面的推進(jìn)，頂板直接頂同樣發(fā)生冒落，工作面推進(jìn)至65 m 時(shí)，此時(shí)的基本頂斷裂，工作面受到初次來(lái)壓，基本頂厚度為18 m，初次來(lái)壓的步距為65 m，鉸接點(diǎn)形成的位置與采高5 m 時(shí)相差不大，鉸接點(diǎn)與頂板的距離為28.7 m。當(dāng)工作面推進(jìn)至82 m時(shí)，此時(shí)的工作面經(jīng)歷第一次周期來(lái)壓。從以上分析可以看出，隨著采高的增大，巷道直接頂?shù)暮穸仍黾樱瑫r(shí)關(guān)鍵層形成的鉸接點(diǎn)位置與頂板位置的距離增加。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究

對(duì)支架阻力進(jìn)行研究，隨著采高的不斷增加，此時(shí)支架阻力中等效直接頂?shù)妮d荷所占比例持續(xù)增大，此時(shí)基本頂?shù)淖枇υ诠ぷ髯枇χ兴急壤兴档停趤?lái)壓期間直接頂?shù)淖灾嘏c基本頂載荷在額定阻力中所占的比例分別為60%～65%和35%～40%。對(duì)不同采高下的實(shí)測(cè)工作阻力和理論計(jì)算工作阻力進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3 所示。

對(duì)大采高綜采工作面的工作阻力進(jìn)行計(jì)算，首先根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況可知，西曲礦18402 工作面的基本頂關(guān)鍵層厚度為10 m，巖層的容重為25 kN/m3，根據(jù)計(jì)算周期來(lái)壓步距為12m，載荷層的厚度為10m，工作面支架選型為ZY12000/25.5/55，液壓支架的寬度為1.75 m，支架的控頂距離為5 m，巖層斷裂破碎角為65°，計(jì)算可得工作面的支架工作阻力為10620 kN。根據(jù)實(shí)測(cè)值與檢測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)兩者的誤差極小，整體誤差不超過(guò)5%，所以高位斜臺(tái)階巖梁結(jié)構(gòu)能夠有效計(jì)算支架的工作阻力。同時(shí)根據(jù)圖3 可以看出，隨著采高的增大，巷道的實(shí)測(cè)支架阻力呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，但在采高5～6 m 時(shí)工作面支架實(shí)測(cè)阻力大致相等。

圖3 不同采高下的實(shí)測(cè)工作阻力和理論計(jì)算工作阻力對(duì)比

當(dāng)煤層埋深較淺時(shí)，此時(shí)上覆巖層的厚度較大，而松散載荷層的厚度正好相反，所以形成雙關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)，雙關(guān)鍵層的穩(wěn)定性直接影響著來(lái)壓強(qiáng)度及來(lái)壓步距，對(duì)等效直接頂?shù)暮穸冗M(jìn)行研究，利用模擬軟件對(duì)不同采高下的等效直接頂厚度進(jìn)行分析，并繪制不同采高下的等效直接頂變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 不同采高下的等效直接頂變化趨勢(shì)圖

從圖4 可以看出，隨著采高的增大，巷道等效直接頂?shù)暮穸戎鸩皆龃螅鲩L(zhǎng)的趨勢(shì)逐步下降，當(dāng)采高為4 m 時(shí)，此時(shí)的等效直接頂?shù)暮穸葹?0 m，等效直接頂為采高的2.5 倍；當(dāng)采高為5 m 時(shí)，此時(shí)的等效直接頂?shù)暮穸葹?5 m，等效直接頂為采高的3倍；當(dāng)采高為6 m 時(shí)，此時(shí)的等效直接頂?shù)暮穸葹?1 m，等效直接頂為采高的3.5 倍；當(dāng)采高為7 m時(shí)，此時(shí)的等效直接頂?shù)暮穸葹?6 m，等效直接頂為采高的3.7 倍。

3 結(jié)論

1）根據(jù)數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)基本頂在初次來(lái)壓后形成兩組關(guān)鍵層，上組關(guān)鍵層未發(fā)生斷裂，而下組關(guān)鍵層斷裂，在工作面的支架左上端的關(guān)鍵層形成鉸接點(diǎn)，且在下組關(guān)鍵層位置形成下位斜臺(tái)階巖梁。

2）根據(jù)支架阻力實(shí)測(cè)及理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者的誤差極小，整體誤差不超過(guò)5%。隨著采高的增大，巷道等效直接頂?shù)暮穸戎鸩皆龃螅鲩L(zhǎng)的趨勢(shì)逐步下降。