后安煤矿近距煤层垂直布面的支架选型研究

甄亚东 张 鹏 库永亮 折志 龙

（中煤北京煤矿机械有限责任公司，北京 102400）

0 引言

后安煤矿位于山西省朔州市平鲁区陶村乡王高登村南，属山西省具有较大规模的民营矿井。后安煤矿可采煤层有4、9、11煤层，4和9煤层已接近采空，即将对11煤层进行开采。11煤和9煤的距离较近，平均约5m，属近距煤层。由于特殊地质条件，11煤的工作面走向与9煤方向垂直。这就对11煤的液压支架支护设备提出了更高的要求。但是类似的开采经验较少，需要采取多种方式对液压支架支护强度进行验证。

1 地质情况

9号煤层：位于太原组下部，煤层厚度12.88m～18.18m，平均为15.72m。含夹矸2～10层，一般为3～6层，厚度一般在0.07m～0.52m，岩性以高岭岩为主，其次为粉砂岩和炭质泥岩。煤层顶板为中细粒砂岩，底板为细粒砂岩或砂质泥岩，为全区可采的稳定煤层。

11号煤层：为太原组底部的主要煤层，距9号煤层2.26m～10m。煤层厚度3.59m～8.13m，平均为4.9m。结构简单-较简单，夹矸0～4层，夹矸厚度0.2m～0.8m，岩性多为炭质泥岩和高岭岩，煤层顶板以灰岩为主，常有泥岩伪顶，底板为灰岩和细砂岩。属稳定的全区可采煤层。本层层位稳定，顶板岩性特殊，易于识别。11号煤层埋藏深度139.5m～256.8m，平均210.68m。9号、11号煤层为黑色，条痕为深黑色或褐黑色，硬度f:2～3。11号煤层伪顶为泥岩或炭质泥岩，直接顶板为石灰岩或砂质泥岩。

2 液压支架选型

2.1 支架形式确定

两柱掩护式支架较四柱支撑掩护式支架重量轻、伸缩比大，升、降、移架速度快，顶梁合力作用点靠近煤壁，有利于维护顶板的完整性；四柱支撑掩护式支架4个立柱不可能同时受力，存在受力不均的问题，两柱式支架支护效率要高于四柱式支架；尽管两柱掩护式支架底板比压要高于四柱支撑掩护式支架，但抬底座机构的应用抵消了两柱掩护式支架在这方面的劣势；因此，后安煤矿大采高工作面优选两柱掩护式支架形式[1]。

2.2 支架中心距确定

在支架采高一定的前提下，支架越宽，支架的稳定性越好，所以现在的大采高两柱掩护式支架向大中心距方向发展[2]。采用1.75m、2.05m的中心距后，不但可以大大提高支架的稳定性，而且可以减少支架数量，简化电液控制系统，降低设备投入成本，加快移架速度。综合考虑后安煤矿的井下运输条件，优选支架中心距为1.75m。

2.3 支护强度确定

支架支护强度核算主要采用2种方法来分析，即：①建立在大采高支架工作阻力经验之上的估算法[3]；②建立在支架与围岩相互作用关系基础之上的数值模拟方法。

2.3.1 经验估算法

经验公式（岩重法）Ps=nrH；

式中：Ps—支护强度，kN/m2；n—支架载荷相当于采高岩重的倍数，取8；r—顶板岩石容重，2.6kN/m3，2.6；H—支架最大高度。

支护强度：

Ps=9.8×8×2.6×5.5=1121.12kN/m2=1.12MPa

2.3.2 数值模拟法

数值模拟实验以山西朔州平鲁区后安煤矿两层可采煤层9#煤和11#煤为工程背景，为分析开采过程中覆岩三维宏观力学性质变化以及顶板移动变形特征，采用大型非线性三维数值计算软件FLAC3D对其进行模拟计算。

2.3.2.1 边界条件设定

上部边界条件：该模型中在Z轴方向上，按照地质综合柱状图选定11号煤层底板以下50m，顶板以上取105m作为数值模拟模型，模型顶部直至地表90m岩层以均布荷载的应力边界条件代替，由下式计算。

式中：q-均布载荷,MPa；γ-岩石容重，N/m3；h-岩石厚度，m；g-重力加速度，kg/N。

下部边界条件：模型的底部边界设置为位移边界条件，在x方向可以运动，y方向固定的铰支，通过速度固定边界，即速度υ=0。

左侧和右侧边界条件：该模型的左侧和右侧边界均为实体煤和岩体，简化为位移边界条件，在y方向上可以运动，x方向上固定的铰支，即υ=0。模型边界条件如图1所示。

图1 模型边界条件示意

2.3.2.2 建立模型

相关地层及岩性结构信息主要来源于山西朔州平鲁区后安煤炭ZK2号、ZK1-3号、ZK3-2号及井田地层综合柱状图。为计算方便对地层进行略微调整，适当简化，得出进行数值模拟计算部分的地层分布。

模拟岩层区域由下至上为11煤底板40m至煤层顶板105m，形成长为500m、宽为300m、高160m的FLAC3D数值模拟模型，如图2所示。整个模型共划分为252000个单元，246000个节点。在减少单元网格数量，提高运算速度的同时，为保证计算精度，按区域需要考虑来调整单元网格的疏密程度。

图2 数值模拟初始模型示意图

9煤工作面沿模型X方向布置，在Y方向边界50m处开切眼，模型9煤工作面推进200m后另一侧仍将有50m边界煤柱，2个相邻工作面间煤柱为30m。11煤工作面沿模型Y方向布置，因考虑到上层煤柱的影响，选择在X方向边界30m处开切眼，推进320m后工作面进入9煤右侧工作面采空区下方即停止计算。

从图3～图4中可看出，煤层开挖后，围岩出现应力集中现象和卸压现象，前者发生在工作面及切眼两端，其应力最大值一般位于工作面煤壁前方与切眼后方不远处，随着推进长度的增加，应力集中程度不断加大，范围扩大并向煤柱深部转移，底板应力也向煤柱内部转移，进入煤体中，应力集中程度逐步减弱；后者发生在采空区正上方、正下方岩体中，同时在煤壁后方不远处，由于塑性破坏造成应力释放，也出现卸压现象[4]。

图3 工作面垂直布置情况

图4 工作面开采180m（E：10的幂次方）

2.3.2.3 支护强度验证

支架的支护强度并不是越大越好，支架支护强度过大，会降低支架上方顶板的完整程度，增加设备的采购成本，支架支护强度的大小存在一个合理的范围。通过FLAC3D软件，预测不同支护强度下顶板下沉量，从而绘制液压支架支护强度与顶板下沉量的“P-ΔL”曲线[5]。

随着支架支护强度的增加，顶板的下沉量逐渐减小，当支护强度增加到一定值后，支护强度再增加，对顶板下沉量影响较小，但低于此支护强度时，支护强度的减小对顶板下沉量的变化影响较大，这个支护强度即可选定为支架合理支护强度。由支架支护强度P与顶板最终下沉量ΔL关系曲线（图5）可知，当支护强度为1.3MPa～1.4MPa时，其顶板下沉量随支护强度的增加而减少的程度明显下降，结合应力及破坏区图分析，确定支架的合理支护强度区间应为1.3MPa～1.4MPa。

图5 顶板下沉量与支护强度变化曲线

综上，确定后安煤矿近距煤层垂直布面的液压支架支护强度为不低于1.3MPa。

2.4 支护阻力确定

T=P（L+C）×B/K

式中：T— 工作阻力，kN；P— 支护强度，1300kN/m2；L— 顶梁长度，5m；C— 顶梁前端到煤壁的距离，0.7m；B— 中心距，1.75m；K— 支护效率，取0.9。

T=1300×（5+0.7）×1.75/0.9=14408kN，圆整取15000kN。

最终，确定后安煤矿11#煤层东采区液压支架型号为ZY15000/28/55型两柱掩护式液压支架。

3 周边类似矿井对比

后安煤矿周边矿井有平朔东露天矿和平朔二号井。平朔东露天矿对11#煤层采用露天开采，揭露后的记录显示，11#煤层顶板以灰岩为主，松散易碎。煤层厚度稳定。东露天矿与后安煤矿距离较近，煤层地质情况与后安煤矿相似度较高。平朔二号井对11#煤层采用井工开采，工作面使用ZY11000/25/55D型两柱掩护式液压支架，上下层工作面采用顺向布置，共开采7个工作面。开采过程中的记录显示，11#煤层顶板压力适中，11000kN工作阻力支架满足工作面开采使用。

4 工作面过垂直煤柱的安全措施

在距离垂直煤柱3m～5m时提前对工作面液压支架进行调整，保证支架具有较好的工作状态。监测工作面矿压，控制推进速度，调整周期来压位置，使工作面老顶提前破断，确保液压支架在经过上层煤垂直煤柱期间不出现老顶周期来压。

在距离垂直煤柱 3m～5 m 时，对工作面进行调斜，避免液压支架同一时刻进出垂直煤柱，缩短矿压影响范围。

加强工作面顶板和底板管理，出垂直煤柱时必须跟机移架、擦顶移架，严格接顶。采煤机割煤时底板平整，避免出现台阶和波浪起伏，防止支架倾倒事故。

控制液压支架采高，不能过高或过低。一方面保证顶板压力大时液压支架立柱有足够的伸缩量，避免压死以及采煤机不能正常通过的问题； 另一方面又要避免因采高过大而导致悬顶倒架的问题。

5 结论

后安煤矿地理位置属于平朔地区，周边的国兴煤矿、国强煤矿、卢家窑煤矿等都有类似地质情况。

通过经验估算法和数值模拟法，综合验证了后安煤矿11#煤层液压支架工作阻力，最终确定为15000kN。

后安煤矿综采项目填补了行业内近距煤层垂直布面大采高开采的空白，为类似项目的开展提供了参考。