软弱煤层综采放顶煤支架参数数值模拟及支架适应性分析_祁康华.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 1工程概况 晋煤集团翼城晟泰青洼煤业 2103 工作面为综采 放顶煤工作面， 本工作面主要开采 2 煤层， 实际埋藏 深度为 216.4～237.7m， 煤块表面有金属光泽， 煤的强 度约为 12.6MPa， 煤质较软， 容重为 1.43t/m3， 煤层倾 角为 8～11， 平均 9.5， 煤层厚度为 3.85～6.2m， 平均厚度 4.66m， 煤层中夹 0～1 层夹矸， 夹矸总厚度 为 0～0.5m， 稳定可采， 2 号煤层结构简单， 无断层以及 其他地质结构， 其中煤层顶板为黑色粉砂岩， 质地较 脆， 底板为深灰色泥岩， 煤体裂隙比较发育， 该工作面 水文地质条件中等， 工作面采用综合机械化放顶煤工 艺开采，全部垮落法管理顶板，工作面中间架采用 ZFY5000/17/33 型， 共 91 架， 端头架采用 ZFS5800/18. 5/33 型， 共 6 架， 其中 ZFY5000/17/33 为两柱掩护式 支架。 22103 综采工作面放顶煤支架数值模拟 2.1模型建立 针对 2103 综采放顶煤工作面中支架选型，对支 架的适应性进行了合理性分析，矿方采用 ABAQUS 软件[1-2]对整个工作面放顶煤工艺过程进行了建模， 模 型 长 25.0m， 高 10.0m。 模 拟 支 架 结 构 依 据 ZFS5000/17/33 放顶煤液压支架进行设计，顶煤选用 实体单元， 材料本构模型为 Mohr- Coulomb 模型， 为方 便建立接触关系及分析支架顶梁受力状态， 支架顶梁 采用实体单元， 其中梁单元应用于支架掩护梁、 底座 及四连杆， 材料均采用线弹性本构模型， 建立模型如 图 1 所示。 图 1放顶煤支架模型图 2.2顶梁前后比[3]数值模拟 本次工作面放顶煤应用的支架为 ZFY5000/17/ 33， 其支柱形式为两柱掩护式， 两柱掩护式放顶煤支 软弱煤层综采放顶煤支架参数数值模拟及支架适应性分析 祁 康 华 （霍州煤电集团丰峪煤业有限责任公司 ， 山西 霍州 031400 ） 摘要 针对晋煤集团翼城晟泰青洼煤业 2103 综采放顶煤工作面的支架适应性情况， 为了确定放顶 煤支架在生产过程中的合适参数，矿方采用 ABAQUS 软件对 2103 工作面所选支架的前后顶梁比以 及平衡千斤顶的工作阻力进行了数值模拟， 得出了正常工作下的前后顶梁比为 0.72， 平衡千斤顶的合 适工作阻力为 2000kN， 为了验证支架的实际应用效果， 矿方对支架工作阻力进行了观测， 分析后发现 支架工作阻力都在额定工作阻力之下， 现场应用效果良好， 为煤矿安全生产提供了安全保证。 关键词 放顶煤支架 ； 数值模拟 ； 前后顶梁比 中图分类号 TD355文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0101- 03 Numerical Simulation of Support Parameters and Comprehensive Adaptability Analysis of Fully Mechanized Caving Coal Support in Soft Coal Seam QI Kanghua （JinchengCoal Group YichengShengTai Qingwa Coal Industry ， Shanxi Yicheng 043500 ） Abstract In viewofthe adaptabilityofthe 2103 fullymechanized top coal cavingface ofthe JinchengGroup in the Taichengqing coal indus- try of the Jincheng Group, the mine used ABAQUS software to compare the front and rear roof- to- beam ratio of the selected support of the 2103 working face and the working resistance of the balanced jack. The numerical simulation shows that the front and rear sill ratio is 0.72 under normal working, and the working resistance of the balanced jack is 2000 kn. In order to verify the practical application effect of the bracket, the mine side observes the working resistance ofthe bracket, and finds the working resistance ofthe bracket after analysis. Under the rated workingresistance, the field application effect is good, which provides a safetyguarantee for the safe production ofcoal mines. Keywords Cavingcoal support ; numerical simulation ; front and rear roofbeamratio 101 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 架可根据控顶需要来确定立柱上铰点位置， 即改变顶 梁的前后比值， 从而提高梁端支撑力， 以利于对端面 冒顶的控制， 在不同的支架前后顶梁比下， 顶煤的整 体稳定性也不相同，所以为了确定合适的前后顶梁 比，矿方分别在支架前后顶梁比值为 0.72、 1.31、 2.42 的情况下， 对顶煤的破坏情况进行了模拟， 模拟结果 如图 2 所示。 （a ） 顶梁前后比值为 0.72（b） 顶梁前后比值为 1.31 （c ）顶梁前后比值为 2.42 图 2不同顶梁前后比对顶煤破坏效果模拟结果图 图 2 为不同的顶梁前后比下， 支架对顶煤的破坏 效果模拟， 观察图 2 中 （a ） （b ） （c ） 可以看出随着顶梁 前后比值的增大，支架顶部煤体开始发生回转变形， 其中当支架前后顶梁比值为 2.42 时，端面顶板下沉 量为 312mm， 变形量较大， 稳定性相对较差， 这是因 为此时支架顶梁的垂直工作阻力仅为 0.46MPa， 水平 工作阻力为 0.09MPa，支架不足以支撑顶煤的压力； 当支架前后顶梁前后比值为 1.31 时， 支架顶部煤体 变形量变小， 端面顶板下沉量为 62mm， 支架顶梁垂 直工作阻力为 0.53MPa， 水平工作阻力为 0.11MPa， 支架稳定性相对提高； 当支架顶梁前后比值为 0.72 时， 可以发现支架的整体性能提高， 顶煤保持平稳 下沉， 此时支架顶梁的垂直工作阻力为 0.65MPa， 水 平工作阻力为 0.13MPa，端面顶板下沉量仅为 54mm， 支架控制效果良好； 由此可见， 在软煤条件 下， 顶梁前后比减小， 即立柱上铰点位置靠前， 既可 以大幅提高支架的整体支撑能力， 又可以提高其顶 梁前端的支撑能力， 因此可以确定本工作面合适的 顶梁前后比值为 0.72。 2.3平衡千斤顶工作阻力模拟 本次工作面所用支架中平衡千斤顶是保持支架 顶梁稳定的重要部分， 为了确定平衡千斤顶的合适工 作阻力，分别对平衡千斤顶工作阻力为 0kN、 1000kN、 2000kN 下回采过程对顶煤的破坏效果进行 了模拟， 模拟结果如图 3 所示。 （ a ） 平衡千斤顶工作阻力0kN（ b ） 平衡千斤顶工作阻力1000kN （c ） 平衡千斤顶工作阻力 2000kN 图 3平衡千斤顶不同工作阻力下对顶煤破坏效果模拟图 图 3 中分别展示出了平衡千斤顶不同工作阻力 下支架对顶煤的破坏效果模拟图， 观察图 3 （a ） 可以 发现当平衡千斤顶的工作阻力为 0kN 时，顶煤发生 了回转变形， 支架顶梁稳定性差， 端面顶板下沉量严 重达到了 444mm， 观察图 3 （b ） 伴随着平衡千斤顶工 作阻力的增大， 支架顶梁稳定性有所提升， 此时端面 顶板下沉量为 312mm，可以看出与平衡千斤顶工作 阻力为 0kN相比仅仅减少了 29.7， 端面顶板下沉量 得到了控制， 但控制效果不是太理想， 观察图 3c当 平衡千斤顶工作阻力为 2000kN 时， 支架顶梁稳定性 强， 此时端面顶板下沉量为 123mm， 与平衡千斤顶工 作阻力为 0kN相比减少了 72.2， 与平衡千斤顶工作 阻力为 1000kN相比减少了 60.5，端面顶板下沉量 也得到了较好的控制， 通过以上分析可以得出平衡千 斤顶合适的工作阻力为 2000kN。 3工业实验 3.1支架工作阻力[4]观测 当支架采用上述模拟结果， 即将支架顶梁前后比 调整为 0.72， 平衡千斤顶工作阻力调为 2000kN， 矿方 为了了解支架的实际应用效果， 为此进行了工业性实 验， 本次现场观测布置在 2103 综采放顶煤工作面， 同 时为了确保整个工作面支架的工作状态能够满足生 产要求， 使现场数据更加丰富， 矿方分别在工作面上 部、 中部、 下部选择了 5 架支架， 从而来确保监测相对 准确，本次观测主要通过对支架工作阻力进行观测， 工作阻力的观测数据通过压力传感器进行测量， 并对 数据进行整理分析得到 2103 工作面回采过程中支架 102 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 工作阻力统计分析表。 表 1工作面上部支架工作阻力统计分析表 表 2工作面中部支架工作阻力统计分析表 表 3工作面下部支架工作阻力统计分析表 通过整理现场数据得到表 1， 从表 1 中可以看出 非来压期间， 放顶煤前工作面上部支架的最大工作阻 力为 5914kN， 占据额定工作阻力比值的 69.6， 放煤 后最大工作阻力为 5259kN，占据额定工作阻力的 61.9， 从数据来看放煤前工作阻力是放煤后的 1.11 倍； 而在顶板来压期间， 放煤后工作阻力与放煤前相 比， 降低了 935kN， 约 11 个百分点， 放煤前最大工作 阻力与非来压期间最大工作阻力相比，同比增长了 1684kN， 约 19.8 个百分点； 在以上对比中可以得出放 煤后工作阻力都会下降， 而在顶板来压期间支架工作 阻力的利用率会有所提高， 工作面上部支架工作阻力 都处于额定工作阻力之下， 另外支架在放顶煤期间支 架额定工作阻力利用率达到了 89.4， 支架支撑能力 得到了较大的发挥。 表 2 为工作面中部的液压支架在回采过程中工 作阻力观测统计分析表， 非来压期间支架最大工作阻 力为 6178kN， 支架额定工作阻力利用率为 72.7， 来 压期间中支架最大工作阻力为 7500kN，额定工作阻 力利用率达到最大值为 88.2， 可以看出工作面支架 工作阻力在额定工作阻力范围内， 支架能够对工作面 中部起到良好的支撑作用， ；分析表 3 中数据可以得 出工作面下部支架在回采过程中最大工作阻力为 8195kN，此时的支架支撑能力得到了最大程度的发 挥， 利用率达到了 96.4， 可以看出下部支架运行状 态处于正常，额定工作阻力利用率达到最高值 96.4。 综上所述， 通过对表 1、 表 2、 表 3 进行分析， 可以 发现支架在整个回采过程中处与正常工作状态， 支架 的支撑能力得到了较高程度的发挥， 其中最高达到了 为 96.4， 支架的适应性效果良好。 4结论 针对晋煤集团翼城晟泰青洼煤业 2103 综采放顶 煤工作面， 为了确定放顶煤支架在生产过程中的合适 参数，本次对 2103 工作面所选支架的前后顶梁比以 及平衡千斤顶的工作阻力进行了数值模拟， 得出了较 为合适的前后顶梁比为 0.72， 平衡千斤顶的合适工作 阻力为 2000kN， 为了验证支架的实际应用效果， 矿方 对支架工作阻力进行了观测， 分析后发现支架工作阻 力都在额定工作阻力之下，而且支架的利用程度较 高， 最高达到了额定工作阻力的 96.4， 现场应用效 果良好， 为煤矿安全生产提供了安全保证。 参考文献 [1] 黄庆享,姬建虎,张沛,秦晓强,刘腾飞.三软煤层放顶煤支 架围岩关系分析 [J]. 矿山压力与顶板管理,200501 15- 17. [2] 张蓓. 厚层放顶煤小煤柱沿空巷道采动影响段围岩变形 机理与强化控制技术研究[D].中国矿业大学,2015. [3] 王国法,刘俊峰,任怀伟.大采高放顶煤液压支架围岩耦合 三维动态优化设计[J].煤炭学报,2011,3601145- 151. [4] 翟新献.放顶煤工作面顶板岩层移动相似模拟研究[J].岩 石力学与工程学报,2002111667- 1671. 作者简介 祁康华 （1987-） ， 男， 汉族， 霍州辛置镇人， 2014 年 1 月 毕业于太原理工大学， 采矿工程专业， 本科学历， 助理工程 师， 现任霍州煤电集团丰峪煤业有限责任公司安全生产部科 员。 （收稿日期 2019- 7- 17） 工作阻力 /kn 额定阻力 利用率最 大值/ 平均值及 占比 最大值及 占比 最小值及 占比 非来压 期间 放煤前/kN69.64430 （52.1 ） 5914 （69.6 ） 2528 （29.7 ） 放煤后/kN61.93599 （42.3 ） 5259 （61.9 ） 1501 （17.7 ） 来压 期间 放煤前/kN89.46606 （77.7 ） 7598 （89.4 ） 4882 （57.4 ） 放煤后/kn78.45295 （62.3 ） 6663 （78.4 ） 4146 （48.8 ） 工作阻力 /kN 额定阻力 利用率最 大值/ 平均值及 占比 最大值及 占比 最小值及 占比 非来压 期间 放煤前/kN72.74834 （56.9 ） 6178 （72.7 ） 2737 （32.2 ） 放煤后/kN66.74105 （48.3 ） 5667 （66.7 ） 2275 （26.8 ） 来压 期间 放煤前/kN88.26706 （78.9 ） 7500 （88.2 ） 5071 （59.7 ） 放煤后/kN83.35577 （65.6 ） 7084 （83.3 ） 3639 （42.8 ） 工作阻力 /kN 额定阻力 利用率最 大值/ 平均值及 占比 最大值及 占比 最小值及 占比 非来压 期间 放煤前/kN84.74668 （54.9 ） 7196 （84.7 ） 3115 （36.7 ） 放煤后/kN74.63833 （45.1 ） 6344 （74.6 ） 2637 （31.0 ） 来压 期间 放煤前/kN96.46898 （81.2 ） 8195 （96.4 ） 5517 （64.9 ） 放煤后/kN80.05643 （66.4 ） 6804 （80.0 ） 3951 （46.5 ） 103 ChaoXing