2018“三软”煤层组合滑移支架应用研究

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　　摘要：通过引进悬移支架在煤矿的应用并对试采期间出现的问题采取有效措施，分析了使用整体顶梁悬移支架的好处与不足，为采场安全生产奠定了基础。
　　关键词：三软煤层;滑移支架;应用
　　引言
　　长期以来井下回采巷道支护及回采工作面顶板控制效果不理想，放煤工艺参数不合理，回采巷道断面收缩、变形严重，回采工作面顶板下沉量过大，造成风速超限、回采工作空间狭小，严重影响开采安全，煤炭回采率低，产量上不去。
　　为摸清工作面矿压显现特征，确定工作面开采超前支承压力影响范围，探索三软厚煤层采场顶板来压机理，优化放煤工艺，为后续工作面采场控制设计和放煤工艺提供参考依据。在矿领导的大力支持下，在有关科室技术人员的协助下，进行了连续的矿压观测，取得了大量的第一手资料和观测数据，基本摸清了工作面上覆岩层活动规律及其运动参数，弄清了矿压显现程度对工作面生产的影响情况。在此基础上，对工作面顶煤放出规律、放煤工艺参数进行了研究，提出了一整套采场支护和放煤工艺改革方案，改善了回采工作面顶板控制状态，提高了顶煤放出率，本研究成果对本矿安全生产和高产高效具有十分重要的现实意义，对 三软煤层类似工作面顶板控制和放煤工艺改革具有重要的推广应用价值。
　　1、三软煤层研究状况
　　对三软煤层采场矿山压力及支护改革的研究一直是个难题，在生产现场没有得到很好的解决，其关键问题是三软煤层支撑体系的整体刚度不够，无论是炮采、普采或是综采都存在采场矿压显现过于激烈，顶底板相对移近量过大、煤壁片帮严重、顶板事故偏多、支撑体系不稳定等缺陷，严重威胁到矿井的安全生产。如何解决三软煤层顶板控制问题是摆在广大煤炭行业科技工作者面前的一个重大研究内容。开展这方面的研究不能只从表面上修修补补，必须通过大量的矿压观测和支护改革实践，寻求一整套采场支护改革方案，有效解决生产中所存在的问题，改善采场支护状况，提高顶煤放出率，实现高产高效。
　　厚煤层放顶煤开采技术起源于西方国家，但近几十年以来随着煤矿技术装备的改进，西方国家很少采用放顶煤技术。我国研究放顶煤技术起源于上世纪末，郑州矿区是我国放顶煤技术的发源地，20多年来该技术对提高回采工作面单产、降低掘进率、提高煤炭企业经济效益做出了重大贡献。但是三软煤层采场支护和放煤工艺所存在的问题一直没有得到有效地解决，开展这方面的研究是当务之急。
　　三软煤层的顶底板抗压强度较低，直接顶顶板岩层裂隙发育、破碎，抗压强度指数很低或为软顶煤，基本上是一旦暴露很快就冒顶，若不能支护刚裸露的顶板或顶煤，梁端会冒顶;煤质软，节理发育、煤层不稳定使煤壁极易片帮，而且煤壁片帮和梁端冒顶相互诱发;底板软，煤系地层中大部分都含有膨胀性粘土矿物，如蒙脱石、伊利石和高岭土，岩层揭露后极易风化潮解、膨胀。回采工作面顶板控制十分困难。
　　多年以来，针对三软煤层回采工作面的煤壁片帮、端面冒落、支柱钻底、台阶下沉等问题，各个矿区逐渐形成了一套适应自身矿井特点的三软煤层顶板治理方法。对顶板的管理本着支、护、稳、让兼顾，以护为主的原则，采取了加强护顶、支柱穿鞋、提高初撑力三条主要措施。
　　2、采场上覆岩层活动规律的数值模拟
　　了解采场上覆岩层变形破坏规律，探索老顶岩层所形成的结构以及结构的变形、失稳和破坏特征，为采场顶板控制设计提供科学依据，成为采矿界技术研究领域中的关键技术之一。
　　采用现场实测和实验室模拟实验研究覆岩破断规律既有可靠性也有局限性，而采用建立在传统连续介质理论基础上的计算方法无法模拟采动覆岩变形、破断、移动全过程。数值模拟方法是近20～30年内发展起来的一种研究手段，在岩土力学中已有较为广泛的应用，如有限元、边界元、离散元等数值模拟方法，都在解决实际问题中发挥了较大作用。采用UDEC离散元数值模拟软件，模拟三软煤层放顶煤条件下上覆岩层结构特征、位移、应力分布及结构失稳特征，对本项目研究具有重要的参考价值。
　　通用离散元程序(UDEC，Universal Distinct Element Code)是一个处理不连续介质的二维离散元程序。UDEC可用于模拟非连续介质(如岩体中的节理裂隙等)承受静载或动载作用下应力场特征。非连续介质是通过离散的块状集合体加以表示。不连续面处理为块体间的边界面，允许块体沿不连续面发生较大位移和转动。块体可以是刚体或变形体。变形块体被划分成有限个单元网格，且每一单元根据给定的应力-应变准则，表现为线性或非线性特性。不连续面发生法向和切向的相对运动也由线性或非线性应力-位移的关系控制。
　　UDEC适用于深部地下采场的静态与动态分析。
　　2.1 数值模型的建立
　　2.1.1 计算模型范围的确定
　　基于UDEC建模原理，应用UDEC软件，以国投煤炭郑州能源开发有限公司教学三矿地质条件和煤岩条件为基础。模型煤厚6m，为教学三矿煤层的实际厚度。UDEC为二维模型，在模拟时不考虑煤层的倾角。模型走向为X方向，在走向上取工作面推进长度的一部分200m，两边各考虑50m边界影响区域，按300m模拟。垂直方向为Y轴方向，模型共模拟8个分层，煤层及煤层顶底板岩层均按实际厚度进行模拟，其余岩层按等效载荷进行模拟，最后模型的垂直高度为100m，模型长高为300m100m，见图2-1。
　　图2-1数值模拟模型
　　2.1.2 模型边界条件的确定及应力加载
　　针对所模拟的地质条件，对计算模型的边界条件确定如下：
　　① 模型左右边界施加水平约束，即边界水平位移为零;② 模型底部边界固定，即底部边界水平、垂直位移为零;③ 模型顶部为自由边界。
　　模型顶端施加等效载荷，即自重应力。载荷z按下式得到：
　　z=H
　　式中：――上覆岩层的体积力，取25KN/m3;
　　H――模型顶界距地表的深度，单位m，这里为529m。
　　在水平方向上施加由自重应力产生的侧向应力，由下式确定：
　　x=y=z
　　式中：――侧压系数，一般取1.2。
　　则模型上加载的垂直应力为13.225MPa，水平应力为15.870MPa。
　　2.1.3 岩体力学参数的选取
　　模型中各层的物理力学参数按统计数据的平均值来考虑。力学参数表5-1。
　　bC=c(1-sin)/2cos，K=E/3(1-2)，G=E/2(1+)。
　　3、结论
　　对采煤工作面顶底板岩性所进行的UDEC数值模拟分析结果，可以得到如下结论：
　　(1)工作面从开切眼向前推进，推进2个循环，直接顶即开始跨落。这一结果与现场实际情况相符，主要原因采场上覆岩层直接顶主要是顶煤和泥岩组成的，11011工作面初次跨落距仅为2m。
　　(2)工作面向前推进32m时，上覆中粒砂岩开始破断，这一现象可以解释为采场的初次来压，初次来压步距为32m。
　　(3)工作面继续向前推进，每推进10～12m，上覆中粒砂岩即出现一次跨落，这一现象可以解释为周期来压，周期来压步距为10～12m。
　　(4)随着工作面推进，顶板下沉量不断增大，顶板下沉范围也不断扩大。
　　(5)随着采厚增加，顶板下沉量增大，顶板下沉量随着距煤层高度的增大而减小。
　　(6)未受采动影响区在工作面前方50m以外，说明回采工作面超前支承压力分布范围在工作面前方50m范围内。
　　(7)受采动影响剧烈区位于工作面前方20m范围内，超前支承压力峰值距工作面8～10m。
　　(8)工作面前方峰值区最大应力可以达到30MPa左右，这一结果比现场测试数据要大。
　　(9)初次来压之前直接顶与老顶之间曾出现较为明显的离层情况，继续向前推进离层的范围呈周期性变化。