综放工作面液压支架支护阻力对顶煤冒放性影响的数值模拟研究

王吉厅(山西焦煤霍州煤电集团吕临能化煤电综合项目部，山西 临县 033200)

综放工作面液压支架支护阻力对顶煤冒放性影响的数值模拟研究

王吉厅
(山西焦煤霍州煤电集团吕临能化煤电综合项目部，山西 临县 033200)

根据庞庞塔矿北区5- 108综放工作面的实际地质条件，通过FLAC3D软件模拟液压支架在不同支护阻力对顶煤冒放性的影响，采用模型中顶煤塑性区变化情况表示顶煤的冒放性。当液压支架支护阻力在6 000～8 000kN时，支架具有足够的支撑力，不仅保障工作面安全，而且顶煤冒放性较好。若支架支护阻力小于该数值时，将无法满足顶板支护要求；大于该数值时，支架支护效率变低，顶煤冒放性变差。模拟研究对于相似条件下工作面开采具有一定的参考意义。

综放开采； FLAC3D； 支护阻力； 冒放性

1 前言

在综放采场中，对于顶煤的开采，其本质是利用矿山压力以及顶煤和液压支架相互关系，将完整的顶煤破裂为较小煤块，通过放顶煤支架的放煤口输送到工作面后部刮板输送机，最终将顶煤采出。顶煤冒放性好坏对煤炭的采出率有很大影响。在放顶煤采场中，由于顶煤的存在，起到了直接顶的作用，影响了上覆岩层的垮落和运移，相比单一煤层开采，放顶煤采场“支架—围岩”关系构成了复杂的“老顶—直接顶—支架—底板”支撑体系。支架通过顶煤控制顶板，顶板压力通过顶煤作用在支架顶梁上，顶煤冒放性好坏是综放开采技术能否成功应用的关键[1～3]。

改善顶煤的冒放性，可以通过改变顶煤所处的应力场环境来改善。顶煤在破碎过程中会形成4个区[4]，分别是初始破坏区(A)、破坏发展区(B)、裂隙发育区(C)、垮落破碎区(D)，如图1所示。液压支架支护力在4个区发展和变化的过程中起着重要的作用，如果支架支护阻力较低，顶煤与直接顶离层较大，出现拉伸破坏，容易出现“冒空”现象；支架阻力过高，容易造成破碎的煤体压实，降低煤炭采出率，同时造成支架支撑效率低。所以充分利用液压支架对顶煤的力学作用来改善顶煤的冒放性，对于提高放顶煤工作面产量具有重要的意义。

图1 顶煤破坏分区示意图

庞庞塔矿北区5- 108工作面在回采过程中，通过改变液压支架的支护阻力改善顶煤的冒放性，从而提高煤炭的采出率。在本文中，选用FLAC3D数值计算软件，结合5- 108工作面的岩层柱状图，建立数值模拟模型，开挖煤层模拟5- 108工作面采场，在采场中施加不同支护强度，观察模型中工作面位置剖面上顶煤塑性区的变化，分析不同支护阻力条件下顶煤冒放性能的差异。

2 工程概况

庞庞塔矿位于山西省河东煤田中部，所在地行政隶属山西吕梁临县管辖。矿井5- 108综放工作面位于5#煤一采区上山北侧，为本矿北区设计首采工作面，标高为+385～+550m，走向长度约700m，倾向长度约236.5m，煤层平均厚度约为6.1m，工作面倾角约3°。该工作面采用一次采全高综采放顶煤的采煤方法，其中机采高度2.7m，放煤厚度3.4m，全部垮落法管理顶板。5#煤层顶底板情况如表1所示。

表1 5#煤层顶底板岩性

3 液压支架支护阻力对顶煤冒放性的数值模拟研究

FLAC3D数值模拟软件的分析基础为有限差分法，是一种快速拉格朗日计算程序。软件中相应的本构模型能够实现岩石材料的力学特性分析。岩石的抗压强度较高，抗拉强度和抗剪强度较低，其应力—应变关系呈现非线性特征变化，可以根据弹塑性理论建立相应的本构关系模型，使用该软件模拟回采过程中围岩结构变化特征和规律，可以在一定程度上为解决复杂的工程问题提供参考[5～6]。

3.1 建立模型

根据庞庞塔矿5- 108综放工作面的实际开采条件，建立工作面回采的数值模拟模型。为了降低计算量同时保证计算结果的准确，建立的数值力学模型尺寸为长×宽×高=200m×100m×50m，根据表2中试验的岩石物理力学参数，对力学模型中的相应岩层进行材料参数赋值。为了提高计算精度，细化准备开采的5#煤层网格，图2为三维模型及网格划分。

表2 煤岩层物理力学参数

图2 数值模拟三维模型及网格划分

设定该模型边界条件时，将模型的左右边界固定，设置位移为零。约束模型的底部边界，水平位移和垂直位移为零。为了减少计算量，模型未建立到地表，根据该工作面采深，依据海姆假说，按照原岩自重应力大小，在模型上部边界施加相应的载荷。

3.2 数值模拟结果

首先，使力学模型应力初始化，计算至平衡状态，然后根据5- 108工作面的实际回采过程在5#煤层位置开挖模型，在控顶区域施加不同反力，大小分别是0、2 000、4 000、6 000、8 000kN和10 000kN。计算完毕后，根据工作面位置相应剖面顶煤塑性区的范围，对比模拟结果，得到在不同支护阻力条件下顶煤冒放性能的变化。图3为塑性区不同颜色代表的破坏方式，图4为不同液压支架支护阻力顶煤塑性区变化情况。

图3 塑性区不同颜色示意图

图4 不同液压支架支护阻力顶煤塑性区变化情况

从图4中可以看出，当支架支护阻力为0kN时，工作面的顶煤均为塑性破坏，这是由于顶煤下部没有支撑，完全处于悬露的状态，在矿山压力的作用下，顶煤发生了较大范围的拉伸和剪切破坏；当支架支护阻力大小达到2 000kN时，与支架支护阻力为0kN的条件下模拟结果基本相同，由于顶煤受到的支撑力较小，主要应力为矿山压力，大范围内的顶煤发生塑形破坏，上部顶煤为拉伸和剪切破坏，下部顶煤主要为拉伸破坏，通过塑性区范围可以看出，此时顶煤具有较好的冒放性，但由于支架缺乏有效的支撑力，无法保障工作面安全生产；当支架支护阻力为4 000kN时，工作面的顶煤产生塑形破坏，主要破坏方式为剪切和拉伸破坏，但是由于支架支护阻力较大，在顶煤中出现零星的实体煤，但分布范围较小，不会影响顶煤的冒放性；当支架支护阻力达到6 000kN时，顶煤塑性区变化状态与支护阻力为4 000kN时基本保持一致，工作面支架上方的煤体处于塑性破坏状态，主要破坏方式为剪切和拉伸破坏，顶煤中实体煤更加集中，但被周围完全破碎的煤体包围，顶煤的冒放性没有受到影响；当工作面支架支护阻力为8 000kN时，支架上方的顶煤仍为塑性破坏，以剪切和拉伸破坏为主，随着支护阻力的进一步增大，顶煤中出现了整块的未破坏煤体，由于被周围破碎的煤体包围，顶煤的冒放性表现较好；当工作面支架支护阻力为10 000kN时，支架上方的顶煤仍为塑性破坏，以拉伸破坏为主，剪切破坏为辅，随着支护阻力的进一步增大，顶煤中出现了较大范围没有发生塑形破坏的煤体，由于范围较大，直接影响了顶煤的冒放性。

对比以上模拟结果，在支架不同支护强度下，顶煤均表现出塑性破坏，其破坏以拉伸和剪切破坏状态为主。所以，在放顶煤开采中，支护阻力不同，顶煤的冒放性不同。在一定的变化范围内，提高液压支架的工作阻力，可以为工作面创造安全的生产空间，同时为工作面上方的顶煤提供足够的支撑力，提高顶煤的冒放性，增加煤炭采出率。当支护达到一定强度后，随着支架工作阻力的进一步增大，顶煤中实体煤的范围将会不断增加，影响到顶煤的冒放性，而且顶板管理难度增加，支架支撑效率降低。因此，在实际生产过程中，合理的液压支架支护阻力，不仅保证工作面安全生产，也提高顶煤的冒放性。

4 结论

根据庞庞塔矿北区5- 108综放工作面的实际地质条件，采用FLAC3D模拟软件，对工作面液压支架支护阻力对顶煤冒放性影响进行数值模拟研究，得到以下结论。

(1)根据数值模拟结果，当支架支护阻力在6 000～8 000kN时，虽然顶煤中存在一定范围的实体煤，但不会影响顶煤的冒放性。该支护阻力大小有利于发挥液压支架的工作性能，提高支撑效率，降低放煤难度。

(2)在放顶煤开采中，提高液压支架支护阻力时，需要综合考虑顶煤的冒放性。选择合理的支护阻力，不仅要保证工作面安全，提高液压支架的工作效率，也可以改善顶煤冒放性，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] 徐永圻.煤矿开采学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009.

[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.

[4] 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,(4):85-88.

[5] 谢文兵,陈晓翔,郑百生.采矿工程问题数值模拟研究与分析[M].徐州:中国矿业大学出版社,2005.

[6] 彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社,2008.

Numerical simulation study of the influence of hydraulic supporting resistance on top-coal caving property in fully mechanized caving face

According to the actual geological conditions of 5- 108 fully mechanized caving face in the north area of Pangpangta Coal Mine, using FLAC3Dsoftware simulated the influence of hydraulic support on top-coal caving property under different supporting resistance, and in the model using top-coal plastic zone change indicated the caving property. When the supporting resistance of hydraulic support is 6 000～8 000kN, the support force is enough, and it can ensure the safety of working face, and has good top-coal caving property. If the supporting resistance is lower than 6 000kN, it can not meet the need of roof support. If the supporting resistance is higher than 8 000kN, the support efficiency drops and top-coal caving property is poor. It has reference significance for the mining of working face with similar conditions.

fully mechanized caving mining; FLAC3D; supporting resistance; caving property

TD355+.3

A

王吉厅(1988-)，男，山西临汾人，助理工程师，从事采矿技术工作。