浅埋深过空巷群工作面支架额定工作阻力确定

2021-04-10侯晓东

煤 2021年4期

侯晓东

(晋能控股装备制造集团煤炭技术装备有限责任公司，山西长治 046204)

20世纪80、90年代，由于煤炭行业不景气，采煤工艺比较落后，许多煤矿在采矿过程中选择采厚弃薄、采易弃难，因此许多煤矿资源被遗弃，造成了资源的严重浪费[1-2]。随着采煤工艺的发展和煤炭资源的日益枯竭，对遗弃煤炭资源的回收已迫在眉睫，然而，旧采遗留煤炭资源中，分布着较多的遗留空巷(区)，这些空巷(区)使采矿环境变得更加复杂恶劣，尤其是复采过程中的矿压显现规律，是遗留煤炭资源回收过程中急需解决的问题[3-4]。

由于工作面前方存在空巷(区)，工作面在揭露空巷(区)时可能会发生突然的来压现象，来压强度比正常工作面来压强度更加明显，且浅埋深工作面上覆岩层可能不存在关键层，更容易造成事故。本文以山西某整合矿3101复采工作面为研究背景，通过工程地质资料调查、理论分析、数值模拟等方法对残煤复采工作面过空巷群过程中的液压支架的工作阻力进行研究，为相似采矿条件下遗留煤炭资源回收时矿压安全控制提供一定的理论依据和计算方法。

1 工程地质资料调查

整合矿3101复采工作面地面标高为+1 066～+992 m，工作面埋深标高为+996～+922 m，工作面平均埋深为70 m左右，工作面煤层厚度为2 m，煤层单一无夹矸，煤层倾角为7～9°，属于近水平煤层。工作面顶板为砂质泥岩、炭质泥岩、中砂岩，工作面底板主要为泥岩，工作面前方存在个别落差较小的断层，对工作面的推进无较大影响。工作面前方存在旧采遗留巷道群，遗留巷道截面为矩形，长×高=3 m×2 m，巷道群间距约为5 m，与工作面平行，经过探测发现遗留巷道内无积水情况。工作面布置示意见图1。

图1 工作面布置示意

2 支架工作阻力计算

工作面初次来压等级可以用初次来压当量pe来标定，其公式为[5]：

pe=241.3lnLf-15.5N+52.6hm

(1)

式中：Lf为老顶初次来压步距，m；N为直接顶充填系数，N=hi/hm，hi为直接顶厚度，m，hm为煤层采高，m。

经过对之前资料的查阅，得到该煤层工作面初次来压步距为32 m，而当复采工作面揭露空巷时，悬露顶板会瞬间变宽，极限的初次来压步距会变为实体煤初次来压步距加上揭露空巷的宽度，即为32 m+3 m=35 m；直接顶厚度为3 m，煤层采高即为工作面煤层厚度2 m。通过公式(1)计算，得到pe=939.86 kPa，Ⅱ级顶板的初次来压当量范围为895～975 kPa，895 kPa<939.86 kPa<975 kPa，因此复采工作面顶板属于Ⅱ级顶板，工作面来压显现明显。

对于Ⅱ级顶板的额定支护强度，可根据下式计算[5]：

PH=72.3hm+4.5Lp+78.9Bc-10.24N-62.1

(2)

式中：Lp为老顶周期来压步距，m；Bc为控顶高度，m。

经过对之前资料的查阅，得到该煤层工作面的周期来压步距为15 m，而当复采工作面揭露空巷时，悬露顶板会瞬间变宽，极限的周期来压步距会变为实体煤周期来压步距加上揭露空巷的宽度，即为15 m+3 m=18 m；控顶高度为5 m，通过公式(2)计算，得到pH=542.64 kPa。

液压支架工作阻力为：

Qs=PHBcSc/Ks=4 522 kN/架

(3)

式中：Sc为液压支架的中心距，取1.5 m；Ks为液压支架的支撑效率，取0.9。

3 数值模拟研究

3.1 数值模型建立

为对理论计算得到的支架工作阻力进行验证，以3101复采工作面为数值模拟背景，运用离散元软件UDEC建立数值模拟模型，数值模拟模型长×高=115 m×77 m，模型共包括18 632个单元，含有20 122个网络节点，模型上方为自由边界，模型左右边界限制水平位移与速度，模型下方限制水平与垂直方向的位移与速度，建立的数值模拟模型见图2。

图2 数值模拟计算模型

模型建立完成后，先对模型的岩层与节理面力学参数进行赋值，赋值数据见表1和表2。赋值完成后，先进行模型的初始平衡计算，计算平衡后，再开挖空巷，开挖空巷尺寸为宽×高=3 m×2 m，开挖空巷后再进行平衡计算。

表1 各岩层力学参数

表2 各岩层节理面力学参数

3.2 数值模拟结果分析

模拟过程中，工作面向右推进，每回采2 m进行1次计算，直到模型计算达到平衡，图3为工作面推进不同距离时上覆岩层垮落情况。

图3 工作面推进不同距离时上覆岩层垮落情况

由图3可以看出：当工作面回采至30 m时，顶板下沉严重，工作面直接顶与老顶发生了离层现象，但并未垮落；当工作面回采至35 m时，即工作面从30 m推进到32 m，并揭露了3 m宽的空巷，顶板悬露长度达到了35 m，工作面直接顶发生垮落；当工作面回采至37 m时，工作面老顶发生垮落，工作面初次来压，来压步距为37 m，与通过资料调查得出的极限初次来压步距35 m较接近。由图 3(a)与图 3(b)可以看出：当工作面揭露空巷时，会使悬顶宽度突然增加，来压步距会大于实体煤回采的来压步距，矿压显现强烈。

经过理论计算得出的支架工作阻力为0.543 MPa，为对理论计算得到的支架工作阻力进行验证，得到支架工作阻力与顶板下沉量之间的“△P-L”曲线，数值模拟计算过程中，给予的支架工作阻力围绕0.543 MPa进行取值，分别取工作阻力为0 MPa、0.05 MPa、0.1 MPa、0.15 MPa、0.2 MPa、0.25 MPa、0.3 MPa、0.35 MPa、0.4 MPa、0.45 MPa、0.5 MPa、0.55 MPa、0.6 MPa、0.65 MPa、0.7 MPa、0.75 MPa、0.8 MPa、0.85 MPa、0.9 MPa、0.95 MPa、1 MPa，分别对不同支架工作阻力下的顶板下沉量进行模拟监测，见图4。

图4 支架工作阻力与顶板下沉量关系

由图4可以看出：当支架工作阻力较小时，工作面顶板下沉严重，且随着支架工作阻力的增大，顶板下沉量迅速减小，即图4中曲线前半部分所表现出来的规律；而当支架的工作阻力增大到一定的数值时，随着支架工作阻力的增大，顶板下沉量减小的速率越来越小，甚至不再发生变化，即图4中曲线后半部分所表现出来的规律。曲线前半部分与后半部分的拐点对应支架最合理的工作阻力。图 4中的拐点所对应的支架工作阻力为0.55 MPa。

空巷群工作面支架额定工作阻力取0.55 MPa，根据公式(3)得出的支架额定工作阻力为4 583 kN/架。数值模拟得出的支架工作阻力与理论计算得出的支架工作阻力较接近。