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兰兴煤业2号煤支架选型研究

范文

宋涛　张凡

摘要：调研了兰兴煤业煤层条件及2号+煤顶底板情况，分析了地质条件及柱状图确定综采面的采高。2号+煤顶底板为砂质泥岩压、泥岩等条件，根据资料对对液压支架进行了合理配套及选型，确定了支架的工作阻力和采高范围;通过FLAC3D模拟软件建立数值模型，对支护效果进行了分析，为综采面液压支架配套、选型研究提供了一定参考。

Abstract： The coal seam conditions of Lanxing coal industry and the condition of No.2 + coal roof and floor were investigated. The geological conditions and histogram were analyzed to determine the mining height of the fully mechanized mining face. No.2 + coal roof is sandstone mudstone pressure， mudstone and other conditions. According to the data， the hydraulic support is properly matched and selected， and the working resistance and height range of the bracket are determined. The numerical model is established by FLAC3D simulation software. The support effect was analyzed， which provided a reference for the matching and selection research of hydraulic support for fully mechanized mining face.

關键词：地质条件;选型; 配套; 液压支架;数值模拟

Key words： geological conditions;type selection;matching;hydraulic support;numerical simulation

中图分类号：TD355? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）14-0137-03

0? 引言

山西许多煤企业兼并重组，为合理开发煤炭资源、增强煤矿安全生产，针对兰兴煤业矿2号+煤层进行了机械化开采方案及液压支架配套方案的可行性研究。

该矿井设计生产能力为90万吨，根据兰兴煤业2号+煤层赋存条件及地质条件，将年产量90万吨/年做为设计目标，进行了开采方案及综采支架配套方案分析，提出了合理的计算选型配套。

1? 地质条件

1.1 煤层情况

该煤层位于山西组中部，上距1号煤层约6.00m，厚1.33～1.80m，平均1.55m。2号+煤层（如图1）有层夹矸约在0.7～0.8m，上部煤厚度均为1.1m;下部厚为0.5m。

1.2 顶底板情况

直接顶为泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩，为2.50m厚度，整体较硬，便于管理。老顶为泥岩，抗压强度为38.0～73.4MPa，平均60.1MPa，单向抗拉强度为1.97～3.06MPa，平均2.15MPa，稳定性较好。

2? 工作面采高确定

该煤层距1号煤层平均6.00m，厚度1.33～1.80m，全井田稳定可采。2号+煤上部理论厚度为1.2m;井下实测厚度在1.2～1.4m，多数在1.2m左右。2号+煤层理论厚度夹矸厚度在0.7～0.8m;实测厚度约0.3～0.6m。下部煤厚度为0.5m左右。

通过以上分析，确定2号+煤采高：

综采面最大采高为2.3m;

综采面最小采高为1.8m。

3? 架型选择

由于2号+煤层顶底板是砂质泥岩、泥岩，可考虑两柱掩护式支架的平衡油缸调节顶梁合力作用，并较好地适应综采面顶板压力变化，顶梁前端支撑能力较大，支撑合力距煤壁距离较小，底板适应性强，选型配套两柱掩护式支架。

3.1 支护高度确定

高度计算

Hmax≥Mmax+（0.1～0.2）? ? ? ? ?（1）

Hmin≤Mmin-0.2? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：Mmax：综采面最大采高;

Mmin：最小采高;Hmax：架子最大高度;

Hmin：最小高度。

2号煤最大采高2.3m，可确定支架最大最高2.4m;伸缩比大可选双伸缩立柱，支架最小高度1.1m。

3.2 工作阻力计算

2号+煤层直接顶为泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩，厚度为2.50m，稳定性较差，老顶是泥岩，单向抗压强度大，且稳定性较好;支架工作阻力按Ⅰ～Ⅲ级基本顶条件计算。

综采面老顶周期来压步距

式中：

L：基本顶周期来压步距，m;

q：岩梁均布载荷，取 0.125MPa;

H：基本顶分層厚度取5m;

Rt'：基本顶岩体抗拉强度选 2～3MPa。

代入数值得，老顶周期来压步距为11～14m。

按照基本顶额定支护强度下限计算：

PS=72.3hm+4.5L+78.9Bc-10.24N-62.1

式中：

PS：额定支护强度下限;

N：直按顶与采高之比为0;

hm：煤层最大采高2.3m;

L：周期来压步距，井下调研为 11～14m。

工作阻力下限为

FS=PS·（SC·BC）/KS

FS：工作阻力下限;

SC：中心距为1.5m;

BC：最大控顶距4.0m;

KS：支撑效率0.8;

BC：最大控顶距4.0m。

代入计算FS=3538～3625KN，工作阻力应取3800KN。

综合上述计算结果，2号+煤支架工作阻力应取3800kN。

4? 数值模拟分析

4.1 模型建立

采用FLAC3D软件模拟分析，综采面支护强度为0.5MPa下进行动态回采数值模拟。三维数值尺寸为420×250×210m，综采面截深0.63m，长度150m，煤层厚2.0m，顶板5m底板4.0m，用非等份划分。模型划分为26280个单元和36216个网格点，建立模型如图2。

4.2 支护效果

设定综采面支护强度0.5MPa时，可模拟出垂直位移分布云图，从图3中可知，控顶内顶板竖向位移小，采空区顶板下沉逐渐增大，综采面支护强度达0.5MPa时符合支架和采场围岩关系，支护效果理想，有效控制顶板下沉。

图4是综采面0.5MPa支护强度时的应力分布图，从图中沿综采面推进方向垂直应力前方3.5m内迅速增大，达到峰值是4.5m左右，应力为原应力1.6～2.1倍，符合下围岩应力及采场围岩的合理分布，顶板围岩应力较小说明其稳定性更好。

数值模拟0.5MPa支护强度时，能够有效抑制顶板下沉量，且围岩应力值较小围岩更加稳定。因此支架提供的支护强度应不小于0.5MPa。

5? 结论

通过兰兴煤业2号+煤层地质调研及理论分析，对煤层综采支架配套选型进行了可行性研究，运用FLAC3D建立三维模型，通过数值模拟对支护效果进行分析，满足了综采面支架选型配套要求。

参考文献：

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[2]高延法.矿山岩体力学[M].徐州：中国矿业大学出版社， 2000.

[3]刘旭东，夏护国.7m大采高综采设备选型配套与应用[J].矿山机械，2012（09）.

[4]袁志刚.伯方煤矿综放及大采高综采可行性对比分析[J].煤矿开采，2011（04）.

[5]张立荣.某煤矿中厚煤层液压支架设计选型[J].煤矿机械，2012（05）.

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