20102综采工作面液压支架合理支护强度模拟研究

何 磊 刘夫军

（榆林市榆神煤炭榆树湾煤矿有限公司，陕西 榆林 719000）

工作面上方覆岩的移动特征和工作面矿压显现规律，是确定支架合理支护强度的前提。本文在现有研究成果的基础上，以榆树湾煤矿20102工作面为研究对象，采用UDEC离散元分析方法，分析了不同支护强度条件下工作面上方覆岩移动规律，通过拟合分析工作面顶板最大沉降量随支架支护强度的变化关系，进而确定出液压支架支护强度的最优取值范围。

1 概况

榆树湾煤矿20102综采工作面平均埋深230m，平均煤厚11.6m，工作面长度250m。工作面煤层直接顶为砂质泥岩和粉砂岩，平均厚度2.2m，节理裂隙发育；基本顶为粉砂岩和中砂岩，平均厚度56m。

2 数值模拟方案

UDEC(Universal Distinct Element Code)作为一款计算分析程序，以离散单元法为理论，该方法对于模拟非线性力学行为的非连续材料在静载或动载作用下的响应过程非常适用，在岩土工程中得到广泛应用。

2.1 模型的建立

模型取煤层和顶底板共17层，以便于提高运算速度和保证计算精度，从而清晰地分析覆岩移动破坏规律以及煤层和顶底板应力分布状态。经过分析判断本煤系地层中含有两层关键层，建立如图1所示的模型。模型取走向×高度=500m×120.6m，煤层平均埋深取266.6m，考虑到开采边界的影响，煤层两侧各设100m的边界保护煤柱。模型共划分7871个块体、35874个单元和44648个结点。

模型左右边界施加法向约束，底部边界施加固定约束条件，将基岩以上表土地层换算成等效荷载，均匀施加在模型上表面。根据室内试验结果可知，模型中各含煤岩层的物理力学参数和各地层的节理力学参数如表1所示。

图1 离散元计算模型

表1 模型中含煤岩层物理力学参数和节理力学参数

2.2 数值模拟方案

本文重点探讨浅埋特厚煤层工作面液压支架不同支护强度条件下工作面覆岩移动特征，分析工作面覆岩沉降与液压支架支护强度之间的关系，进而确定合理的液压支架支护强度，具体方案如下：

（1）利用UDEC的初应力计算功能，产生重力场，模拟未开挖前的岩层原始状态；

（2）一次性开挖至模型中心位置，并在工作面范围内设置液压支架支护模拟单元，分别模拟分析液压支架支护强度为0.2MPa、0.4MPa、0.8MPa、1.2MPa、1.6MPa工况下工作面上覆岩层的运移情况。

3 模拟结果分析

3.1 不同支护强度下覆岩移动特征

结合20102综放面地质条件建立支架与围岩相互作用的数值模型，分别研究不同支护强度下顶板下沉量的变化情况，如图2所示。

由图2分析可知，随着支护强度不断增大，工作面顶板的下沉量得到了有效控制。液压支护强度为0.2MPa时，工作面顶板最大沉降量约2300mm，工作面断面收缩变形量大，无法满足生产需求；当支护强度为0.4MPa时，工作面顶板最大沉降量约1400mm，工作面顶板沉降变形得到很大程度控制，断面面积基本能满足生产需求；当支护强度为0.8MPa，沉降量控制在600mm，工作面上方顶板得到了较好控制，工作面直接顶被液压支架切断，将会降低工作面支架压力，有利于控顶，断面面积能够满足正常生产需求；当工作面支架支护强度大于0.8MPa时，尤其是支护强度达到1.2MPa，顶板的下沉量降低为200mm以下，约为120mm；支架强度由1.2MPa增加至1.6MPa以上后工作面顶板下沉量的减小约为20mm，减幅约为16.7%。

图2 不同支护强度条件下顶板下沉情况

3.2 支护强度与工作面顶板沉降量的关系

根据数值模拟结果可得到工作面顶板最大下沉量随支护强度的变化关系，如图3所示。分析可知，当采高一定时，控顶范围之内顶板的最大下沉量与支架的支护强度呈指数关系变化；当支架支护强度从0.2MPa增加至1.2MPa时，控顶范围之内顶板的下沉量从2300mm减小到200mm，减少幅度为90%；当支架的支护强度从1.2MPa增加至1.6MPa时，控顶范围之内顶板的最大下沉量从200mm减小到100mm，减少幅度相对很小。因此，支架支护强度对控顶范围之内顶板的下沉量具有明显的控制作用，但有一定限度，支护强度达到1.2MPa之后，工作面顶板下沉量达到最大值并趋于稳定。

图3 不同支护强度条件下顶板下沉量

利用MATLAB进行拟合得出支护强度p与工作面顶板下沉量w的关系曲线，如式1所示，其关系表达式为：

4 结论

以榆树湾煤矿20102工作面为研究对象，采用UDEC离散元数值分析软件研究了液压支架不同支护强度条件下工作面顶板覆岩的运移沉降情况，得出以下结论：

（1）该计算工况条件，液压支架支护强度大于0.6MPa以上时，工作面范围内的断面空间能够满足生产需求；

（2）工作面顶板最大沉降量与液压支架支护强度之间呈指数变化关系，当支护强度超过1.2MPa时，顶板最大沉降量变化幅度较小，约为16.7%。考虑到生产安全和经济效益两方面因素，建议工作面的顶板支护强度在0.8MPa～1.2MPa之间选取。