大采高采場覆巖結(jié)構(gòu)建模與支護適用性分析

謝鑫龍

（山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030012）

中國煤炭資源豐富，厚煤層資源約占全國煤炭總儲量的44%。因此，厚煤層的開發(fā)利用程度決定著我國煤炭的技術(shù)研究和經(jīng)濟效益。大采高技術(shù)以其高產(chǎn)、高效、低成本等優(yōu)點在我國礦山得到了廣泛應(yīng)用。事實上，它正在成為中國厚煤層的首選開采工藝，特別是在晉城、六安、大同、陽泉、邢臺、徐州、兗州、阜新、神府和東勝等煤田。隨著工作面生產(chǎn)潛力顯著提高，大采高工作面也表現(xiàn)出與常規(guī)全機械化工作面顯著不同的巖層行為，過高的頂板壓力和較差的支護穩(wěn)定性阻礙了該技術(shù)的潛力進一步釋放。前人對大采高采場頂板控制設(shè)計進行了研究，取得了豐富的研究成果和實踐經(jīng)驗。如由于支架屈服能力不足，在動壓沖擊作用下，支架失效導(dǎo)致了頂板垮塌事故；由于采場支架工作阻力不足，導(dǎo)致支架失效而導(dǎo)致的頂落事故。造成這些事故的主要原因是指導(dǎo)大采高采場頂板控制設(shè)計的頂板控制理論尚不成熟，未能有效解決大采高工作面頂板事故暴露量高于常規(guī)FMM工作面的問題。因此，研究大采高FMM（或FMC）頂板移動規(guī)律，確定大采高工作面最佳支護工作阻力，是對保證大采高工作面安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率和煤炭資源具有重要的理論和實踐意義恢復(fù)[1-5]。

為了求解大采高采場支護穩(wěn)定性問題，在對大采高采場上覆巖層結(jié)構(gòu)進行建模后，研究了這些采場的上覆巖層結(jié)構(gòu)和移動規(guī)律，建立了不同頂板控制要求下的支護強度和支護屈服度的設(shè)計準則，目的是為大采高采場合理選擇支護方式提供理論參考。

1 直接頂和主頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)確定

采高的變化導(dǎo)致上覆巖層移動空間的變化、巖塊旋轉(zhuǎn)角度的變化以及裂隙的發(fā)育。開采大采高厚煤層時，由于一次性采厚大幅增加，采空區(qū)空間增大，直接頂落帶和主頂破斷移動帶也會大幅增加。原來的直接頂落后，不足以填滿采空區(qū)，在上覆巖層中留下很大的裂隙空間。這樣，直接頂?shù)牟糠謳r層可以變成直接頂板。這增加了直接頂中存在大跨度懸架頂?shù)挠矌r的概率；頂板的范圍將使采場的地層數(shù)量和總厚度減少，直接頂板的高度將會增加，和采場暴露的可能性引起的動壓影響斷層運動將會顯著降低。此時，上覆巖結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示，直接頂出現(xiàn)大跨度懸架頂。直接頂一般定義為采空區(qū)內(nèi)所有落巖的組合，在前進方向上傳遞力不能保持連通，全部由支架承擔(dān)重量。主頂是指在掘進方向上傳遞力始終保持聯(lián)系且對采場巖層性質(zhì)影響顯著的巖層。因此，以往直接頂?shù)亩x不再適用于大開采高度的開采作業(yè)。在此操作下，直接頂必須定義為采空區(qū)內(nèi)所有落巖巖層的組合，其傳遞力在前進方向上不能保持聯(lián)系，全部或部分由支架承擔(dān)重量。

圖1 “單關(guān)鍵層”采場結(jié)構(gòu)

煤壁頂板底板支護“CW-R-F-S”系統(tǒng)中各因素相互影響。如頂面距離增大，頂板下沉，煤壁肋剝落深度增大，而頂面距離增大導(dǎo)致頂板下沉增大，進而導(dǎo)致頂面肋剝落深度增大。與頂板沉降高度等各因素之間的關(guān)系為非線性關(guān)系。因此，“CW-R-F-S”系統(tǒng)是一個非線性的、多重的、交互的時間變式系統(tǒng)。通過計算機模擬，可以定性和定量地處理高階段、非線性、多交互時間變式問題。在宏觀經(jīng)濟、項目管理、物流、供應(yīng)鏈、戰(zhàn)略管理、環(huán)境承載能力、礦區(qū)規(guī)劃等方面得到了廣泛的應(yīng)用。通過計算機模擬，可以有效地應(yīng)用于支護-圍巖系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性研究。

2 SD 模型的建立

支護—圍巖系統(tǒng)在空間上由“煤墻—頂板—底板—支護”組成，具體上由“煤墻直接頂—直接底板—單支護”組成。由于工作面中的“CW-R-F-S”系統(tǒng)是一個隨著工作面推進的動態(tài)系統(tǒng)，因此可以將系統(tǒng)的時間邊界定義為一個開采周期。邊界內(nèi)為煤壁、直接頂板、直接底板和單支架，邊界外為與推進速度等系統(tǒng)相關(guān)的生產(chǎn)環(huán)境。為研究“CW-R-F-S”系統(tǒng)目標控制的穩(wěn)定性，我們可以選擇下列因素為主要變量的系統(tǒng)，如等效電阻的支持（人），額定工作阻力的支持（依據(jù)），頂板塌陷的端面（RSHF）煤壁肋片剝落深度（DCWRS）、端面距離（TFD），推進的速度工作面（ASWF），工作面合理推進速度（RASWF）、頂板沉陷（RS）、頂板沉陷速度（RSV）、底板沉陷距離（FS）、支護支架等效阻力（ERSG）、支護支架額定阻力（RRSG）、工作面頂板沉陷速度（RSVHF）、支護支柱最大沉陷（MSSP）、開采周期時間（MCT）、地板比壓力（SPF）、地板極限壓力（LPL）、支撐阻力應(yīng)用比（ARSR）、支撐阻力添加率（RSRA）、泵比壓力（SPP）、泵額定壓力（RPP）、原端面距離（OTFD）、地板對ARSR 的影響系數(shù)（ICFARSR）、煤層壁肋剝落速度（VCWRS）、支護穩(wěn)定系數(shù)（SCS）、SCS 對ARSR 的影響系數(shù)（ICSCSARSR）、控制支護距離（UCDS）、支護支護長度（SGL）、支護長度應(yīng)用比（ARSGL）、煤壁與距離（PCWSG）、支架護套阻力的應(yīng)用比（ARSGR）、支架護套阻力添加率（RSGRA）等。

2.1 模擬SD 模型的設(shè)計

為得到“CW-R-F-S”系統(tǒng)穩(wěn)定性與ASWF、OTFD、支護阻力、SGL、SCS 等影響因素之間的關(guān)系，結(jié)合煤礦15104 工作面地質(zhì)及生產(chǎn)情況，利用Vensim軟件模擬了FMMLMH 工作面“CW-R-F-S”系統(tǒng)在不同工況下的穩(wěn)定性，如表1 所示。

表1 仿真項目

2.2 基本假設(shè)

為了建立系統(tǒng)模型，假設(shè)“CW-R-F-S”系統(tǒng)的運動是可控的，說明“CW-R-F-S”系統(tǒng)的變形是可接受的；支護選擇合理，即工作阻力符合圍巖變形規(guī)律；模擬參數(shù)對圍巖變形速度影響不大。

本文利用Vensim 軟件將仿真值與支護抗力（ERS）、DCWRS、RS 和RSHF 的實測值進行比較，如圖2 所示。由圖2 可知，ERS、RS、DCWRS 和RSHF 仿真值與實測值的最大誤差分別為5.33%、9.9%、18.8%和82.11%；它們之間的平均誤差分別為2.11%、2.86%、7.23%、30.51%，最小誤差均為0。仿真結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好，表明SD模型是有效的。

圖2 仿真值與實測值的對比

3 仿真結(jié)果分析

影響采場巖層動態(tài)的巖層是有限的、可知的、可變的。實際應(yīng)用表明，對采場巖層性質(zhì)有顯著影響的巖層僅限于“直接頂”和“主頂”等很小一部分上覆巖層。根據(jù)到支架的距離、巖性和采場“主頂”內(nèi)巖層的厚度，上覆巖層結(jié)構(gòu)可以是“硬-硬”“弱-硬”“硬-弱”和“弱-弱”。后兩類為“單關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)，前兩類為“雙關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)。

如下頁圖3 所示，RASWF 分別為2 m/d、4 m/d、8 m/d，即MCT 分別為420 min、210 min、105 min 時“CW-R-F-S”系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。從圖3 中可以看出，由于ASWF 的加速和MCT 的減小，使得累積變形減小，因為圍巖變形與時間存在函數(shù)關(guān)系。當(dāng)RASWF為8 m/d 時，由于MCT 過短，ERS 和ERSG 無法達到其額定值。因此，適當(dāng)?shù)丶哟驛SWF 的推進速度，可以保證“CW-R-F-S”系統(tǒng)的穩(wěn)定性處于良性循環(huán)狀態(tài)。

圖3 ASWF 對“CW-R-F-S”系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

OTFD 的定義是指支架尖端與煤壁之間的水平距離，在不發(fā)生肋骨剝落的情況下。下頁圖4為“CW-R-F-S”系統(tǒng)在OTFD 分別為0 mm、340 mm 和1 180 mm 時的穩(wěn)定性變化。OTFD 的增加對RS 的影響不大，但對DCWRS 和RSHF 有發(fā)現(xiàn)的影響，特別是當(dāng)OTFD 大于340 mm 時，DCWRS 和RSHF 急劇增加。TFD 的增加會降低ARSR 和ARSGR，支撐阻力達到RWRS 和ERG 的時間會增加。因此，圍巖控制效果并不理想。

圖4 OTFD 對“CW-R-F-S”系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

4 結(jié)語

隨著開采高度的增加，直接頂厚度會大幅度增加，直接頂出現(xiàn)大跨度懸架頂板硬巖層的可能性也會增大。工作面“CW-R-F-S”系統(tǒng)的SD 模型能夠很好地反映支護與圍巖的關(guān)系，用Vensim 軟件，分析了“CW-R-F-S”系統(tǒng)在15104 工作面煤礦支護穩(wěn)定性。