近距离煤层下位放顶煤工作面支架阻力的确定

魏昌彪

（山西煤炭进出口集团有限公司，山西 太原 030024）

引言

相较于单一煤层开采，近距离煤层群开采有自己的特殊性，在完成上部煤层开采后，工作面的围岩应力重新分布，顶板岩层发生破断、下沉、垮落等现象，这必会对下位煤层应力分布情况造成一定的影响，所以使得下煤层开采的矿压显现与上煤层有较大差异。对于极近距离煤层来说，由于煤层间距离较近，间隔层厚度及岩性对工作面关键层影响较大，下煤层开采时层间结构难以形成稳定的关键层，故与单一煤层相比近距离煤层的来压情况更加明显。但目前的研究内容主要集中于下部煤层回采巷道布置及支护方式，对于近距离煤层开采过程中和回采过程中矿压显现规律及煤层群下位工作面上覆岩层运动破断特征的研究相对较少。

因此本文以某矿5302 近距离煤层下位放顶煤开采工作面为背景，建立了极近距离煤层层间无基本顶支架阻力计算模型，并利用数值模拟方法模拟了上位4 号煤层开采后在5 号煤开采过程中支架的受力情况，最终确定了近距离煤层下位放顶煤工作面合理的支架阻力，为类似条件下的放顶煤开采提供了实践经验。

1 工程概况

某矿5302 工作面作为5 号煤层的综放工作面，其工作面标高为+567～+618 m。5302 工作面与4号煤4302 采空区成内错布置；5 号煤层与4 号煤层距离为0.7～1.3 m，煤层距离平均值为1.05 m；5 号煤层的平均厚度为4.2 m，煤层倾角为2°～8°。各煤岩层物理力学参数见表1。

表1 煤岩体物理力学参数

2 支架阻力理论计算

上下煤层间的岩层厚度较薄，且强度较小，很难形成基本顶结构，上部煤层顶板随着下部煤层的推进发生垮落，很难形成稳定的“砌体梁”结构。所以对于这种层间无稳定结构的覆岩结构，层间无基本顶结构支架阻力计算模型如图1 所示。

图1 层间无基本顶结构时支架阻力计算模型

此时，支架阻力由液压支架控顶范围内直接顶岩层的重力Qz和直接顶上方采空区内垮落岩层的重力Qs两部分组成，加之考虑上层煤“砌体梁”结构再次失的稳影响系数k，支架工作阻力可由以下公式计算：

式中：B 为支架宽度，取1.5 m；lk为下层煤控顶距，取6 m；hz为下层煤直接顶厚度，取25.99 m；hs为上层煤垮落带厚度，取15.8 m；M 为上层煤厚度，取1.9 m；Kp为岩层碎胀系数，一般在1.05～1.3 之间，取1.12；γ 为岩石容重，取1.05 kN/m3。将数值代入公式计算得液压支架控顶距直接顶岩层重量Qz=246kN。

上层垮落带厚度为：hs=1.9/（1.12-1）=15.8 m。

直接顶上方采空区垮落岩层的重量为Qs=1.5×6×15.8×1.05=156.3 kN。

液压支架工作阻力为P=246+156.3=402.3 kN，考虑动压系数k=1.2（4108 工作面基本顶“砌体梁”结构再次失稳引起），支护效率0.9，则P=402.3×1.2/0.9=536 kN。

3 支架阻力数值模拟研究

本次采用美国Itasca 公司开发的仿真计算软件FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions）进行分析。

根据表1 物理力学参数建立尺寸长×宽×高为200 m×1.5 m×80.5 m 的单位架宽模型，假定各地层水平，厚度均匀，岩层内部各向同性，采用莫尔-库伦本构模型对煤岩体进行分析计算，采用线弹性本构模型对液压支架进行分析计算，重力参考值g=-9.81 m/s2，建立上部利用应力边界模拟覆岩层载荷，侧面限制水平位移，底部固支的模型边界条件。此时进行一次平衡计算以模拟开挖前工作面的初始状态。利用Extrusion 模块输入液压支架关键点位并连接，划分网格后生成液压支架，将其网格导入至模型开切眼内进行组合。建立的地层模型如图2 所示，液压支架模型如图3 所示。

图2 地层模型

图3 液压支架模型

为分析5 号煤层围岩应力及塑性区演化规律，并对其液压支架受力进行分析，首先进行4 号煤层开挖分析，以生成5 号煤开采前的围岩初始状态，在4 号煤层开采后的模型中继续开挖5 号煤层，并用Fish 语言控制割煤，放煤与移架，所得液压支架受力状态如图4 所示。

图4 液压支架应力（Pa）云图

由图4 可以看出，在5 号煤层开采过程中，在初采部位液压支架的立柱液压值较低，液压支架立柱液压最大值为30.7 MPa（四柱液压均值，对应工作阻力5 101 kN），对比上文分析的理论值5 068 kN 较为一致。

4 工程应用

某矿5302 综放试验工作面沿走向的长度为750 m，沿倾向的长度为148 m，一共安装液压支架100 架，分别为中部液压支架型号为ZF5600/17.5/28，共94 架，初撑力为5 236 kN，工作阻力为5 600 kN；过渡支架型号ZYG6000/19/30，共6 架。为了得出工作面中部支架推进40 m 的监测结果，用KJ653 综采支架阻力监测仪对支架工作阻力进行监测，结果见下页图5。

图5 工作面中部支架立柱液压信息特征

由于采场中部顶板侧向限制较弱，5302 工作面中部液压支架工作阻力较工作面两端大，安全阀未频繁开启，表明支架选型合理；同时从现场观测可知，工作面未出现明显的端面冒漏和煤壁片帮现象，再次证明了所选支架的合理性。

5 结论

1）建立了极近距离煤层层间无基本顶支架阻力计算模型，确定在此种情况下支架受力来自液压支架控顶的直接顶重力Qz，和上部采空区垮落岩层的重力Qs考虑上层煤“砌体梁”结构再次失的稳影响系数k，经计算合理支架阻力为5 068 kN。

2）经数值模拟分析在5 号煤开采过程中在初采部位液压支架的立柱液压值较低，液压支架立柱液压最大值为30.7 MPa（四柱液压均值，对应工作阻力5 101 kN）。

3）实践表明5302 工作面中部液压支架工作阻力较大，验证了某矿5 号煤层选用支架的合理性，为类似条件下的放顶煤开采和矿压控制提供了实践经验。