综放工作面支架支护阻力对顶煤冒放性的影响

耿泽琛

(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024;2.晋城煤业集团,山西 晋城 048006)

综放工作面支架支护阻力对顶煤冒放性的影响

耿泽琛1,2

(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024;2.晋城煤业集团,山西 晋城 048006)

通过FLAC3D软件模拟赵庄矿1304综放工作面不同支架支护阻力对顶煤冒放性的影响,观察不同支护阻力下顶煤的塑性区范围,得到在一定支护强度时,顶煤冒放性最优,超过或低于此支护强度,顶煤冒放性变差,具有一定的工程意义。

综放开采;FLAC3D;支护阻力;冒放性

在综放开采中,顶煤在矿山压力和液压支架的共同作用下被压裂为较小的煤块,通过放顶煤支架的顶煤放出口运送到刮板输送机,从而将顶煤采出[1]。顶煤的冒放性对煤炭采出率有很大的影响。顶煤在采场中起到了直接顶的作用,顶煤的变形和破碎是一个复杂的过程,在放顶煤采场的“支架-围岩”关系中,支架通过顶煤控制采场顶板,顶板压力通过顶煤作用在支架顶梁上,相比单一煤层开采,二者构成了复杂的“老顶—直接顶—支架—底板”的支撑体系[2-3]。

赵庄矿1304工作面在实际开采过程中,在顶板岩层结构变化的条件下,通过改变液压支架的支护阻力来改善顶煤的应力场状态,从而提高顶煤的放出率。本文通过FLAC3D数值模拟软件,根据采场的实际条件,建立1304工作面回采模型,在模型中施加不同支护强度,通过观察顶煤的塑性区变化,模拟分析不同支架支护阻力对顶煤冒放性的影响。

1 矿井概况

赵庄矿1304工作面位于东回风立井工业广场南侧,埋深约为411.8 m～499.8 m,开采煤层为3#煤层,煤厚平均5.36 m,平均倾角约为6°,工作面走向长度为538.6 m,倾斜长度为145.8 m。煤层基本顶为粉砂岩,直接顶为泥岩。根据煤层性质以及地质条件,采用一次采全高综采放顶煤的采煤方法,机采采高2.8 m,放顶煤厚度为2.56 m,全部垮落法管理顶板。

2 支架支护阻力对顶煤冒放性的模拟

FLAC3D数值模拟软件是快速拉格朗日分析程序,软件中的库伦摩尔模型特别适用于模拟岩石材料在一定条件下发生变形破坏的力学特性。众多专家学者利用该软件模拟围岩结构变化规律以及稳定性的问题,尤其在涉及到的岩体力学特性、围岩应力及工作面推进与采场应力场的时空关系等复杂力学问题时,取得了显著的成果[4-5]。

2.1模拟模型建立

根据1304综放工作面的实际地质条件,建立工作面的回采模型,基本力学模型尺寸为100 m×100 m×50 m,根据表1中岩石物理力学参数对模型中的相应岩层进行材料参数赋值,为了提高计算精度,对开采的3#煤层网格细化。

在处理模型边界条件时,固定模型的左、右以及下边界,约束水平方向的位移,考虑到模型未建立到地表,在模型的上边界施加均匀竖直方向的应力以模拟上覆岩层自重。

表1 煤岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock strata

2.2模拟结果

首先初始化模型的应力,计算至平衡状态,然后根据1304工作面的开采情况,开挖模型,模拟1304工作面放顶煤的回采过程。对工作面区域分别施加0 kN、2 000 kN、5 000 kN、8 000 kN、10 000 kN进行开挖模型的计算,用来研究不同工作面液压支架支护阻力对工作面顶煤冒放性的影响。

在软件的计算结果中,塑性区分布范围表示顶煤的破坏范围和程度,图1为塑性区不同颜色示意图,计算结果如图2至图6所示。

根据数值模拟结果,当工作面没有液压支架支护时,如图2所示,受到矿山压力的影响,顶煤破碎严重,但由于工作面没有液压支架支护,与实际情况不符;当液压支架支护阻力达到2 000 kN时,如图3所示,顶煤中存在大块未破碎的煤体,导致顶煤的冒放性变差,进一步提高支架支护阻力,当达到5 000 kN时,如图4所示,顶煤中仍存在未破碎的煤体,当支架支护阻力达到8 000 kN时,如图5所示,顶煤的冒放性最好,基本都被破碎,可以提高顶煤的采出率。根据图6所示,当液压支架支护阻力达到10 000 kN时,虽然支护阻力增大了,但在顶煤中出现大范围未破坏的煤体,顶煤的冒放性降低,且在工作面前方,相比支架支护阻力较小时,塑性区破坏范围明显减小。对比以上结果可以看出,在一定支护强度范围内,随着工作面液压支架支护阻力增加,顶煤的冒放性不断提高,超过该范围时,顶煤的冒放性随着液压支架阻力增高而变差,增加工作面顶板的管理难度。

对比以上模拟结果可知,液压支架的支护阻力对顶煤的冒放性具有很大的影响,在一定范围内,提高工作面的支护强度,可以充分发挥大阻力液压支架的支护性能,保障工作面安全生产,同时为支架上方的顶煤提供足够的支撑力,改善顶煤的冒放性,增加放顶煤采出率,但超出该范围后,增大支护阻力容易造成顶煤中存在大范围未破坏的煤体,降低顶煤的冒放性,增加顶板的管理难度,对工作面安全生产产生影响。所以,在实际生产过程中,需要选择一个合理的液压支架支护强度,既要保证工作面安全生产,也要改善顶煤的冒放性。

3 结束语

选用FLAC3D软件对赵庄矿1304工作面液压支架不同支护强度下顶煤的冒放性进行了研究,根据模拟结果,可以得到以下结论:

1)当液压支架支护阻力在8 000 kN时,顶煤的塑性区破坏范围最大,顶煤的冒放性最好,增大或减小液压支架支护阻力,容易导致顶煤的冒放性变差,降低顶煤的采出率。

2)在放顶煤开采工程中,在提高液压支架支护阻力时,需要考虑对顶煤冒放性的影响,选择合理的支护强度,既要保证工作面安全,也要改善顶煤冒放性,提高煤炭采出率。

[1] 钱鸣高,石平五,许家林.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,2010.

[2] 宋选民,康天合,靳钟铭,等.顶煤冒放性影响因素研究[J].矿山压力与顶板管理,1995,3(4):85-88.

[3] 王建卫,郭娜,刘晓柯.综放工作面支架支护阻力对顶煤冒放性的影响分析[J].煤矿现代化,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] 胡国伟,靳钟铭.基于FLAC3D模拟的大采高采场支承压力分布规律研究[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实用教程[M].北京：机械工业出版社,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

耿泽琛(1988-),男,河北深州人,在读工程硕士,政工师,从事煤矿井下支护技术研究。

TD355

A

(编辑:杨 鹏)