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【摘要】随着综采技术的发展，综放工作面端头支护逐渐成为顶板管理的重点。综放工作面端头是集采煤、运输、通风、行人为一体的重要出口，具有设备众多，支护面积大，支护强度高等特点，端头支护质量的好坏直接影响着矿井的正常安全生产。以裴沟煤矿为研究对象，采用现场研究和数值模拟相结合的方法，分析了31111工作面端头应力分布状况，同时计算出了工作面和上端头顶板的压力，对所采用支架支护的适应性进行了研究。
【关键词】综放开采 数值模拟 端头支架 应力分布
【中图分类号】TD82 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）39-0221-02
一、引言
综放工作面端头是工作面顶板事故多发地点，以往端头支护的方式一般为木垛、石架等，后来又变为单体液压支柱加十字铰接顶梁的联合支护，目前普遍采用的是端头支架支护。对于端头顶板的破坏和支护，学者们进行了大量的研究。在顶板破坏形式上，形成了统一的理论，即工作面端头会形成“弧三角形悬板”结构。江光宏等根据现场实际观测，以及实验室相似模拟试验证明，在顶板岩层比较稳定时，工作面端头顶板会形成“弧三角形悬板”结构，证实了“弧三角形悬板”的存在。宋振骐等，康立勋等，宋选民等，朱德仁等通过对放顶煤采煤工作面顶煤的运动规律进行研究发现，采煤工作面端头顶煤的下位部分将会产生许多水平裂隙或离层，这些离层的出现降低了顶煤层的分层厚度，不利于在工作面端头形成有利于护顶的“弧三角形悬板”。在支护理论上，金桃等运用UDEC模拟软件分析了端头支护强度与端頭顶板稳定性的关系，发现随着端头支护强度的增加，端头顶板下沉量减小。曹胜根等应用UDEC程序分析了综放开采端面顶板稳定性与支架工作阻力及端面距的关系，发现端面顶板冒落情况与支架工作阻力及支护角度密切相关。本文以裴沟煤矿31111工作面端头为研究对象，通过CDEM模拟软件分析了端头的应力分布情况，同时，通过计算，对工作面支架和端头支架的适应性进行了研究。
二、31111工作面情况
工作面走向长1600m，倾斜长139m，平均煤厚7.2m，煤层赋存较稳定，煤层倾角8～24°，平均倾角16°，煤硬度系数0.374。直接顶为泥岩或砂质泥岩，平均6m左右，直接顶随回采放顶逐步垮落，老顶为大占砂岩，平均7m左右，直接底板为泥岩或砂质泥岩，平均10m左右，顶底板完整性较好。该工作面回风巷、运输巷外段均为36#U型钢支架支护巷道，设计高度为3.5m，下宽为5.3m，净断面为15.1m2。工作面采用综采放顶煤工艺，采煤机型号：MG250/600-WD，采高2.7m，选择ZF6400/19/32型液压支架86架，过渡支架选用ZFG6400/21/32型6架，上下端头各3架。下端头采用ZFT21000/18/35型端头支架支护顶板，液压支架宽度1.5m，额定工作阻力6400KN。
三、31111工作面上端头应力分布
利用中科院力学所研制的CDEM数值模拟软件，计算31111工作面上端头应力分布。依据31111工作面围岩条件和岩层的参数，建立三维数值模型，模型包括煤层下方25m、二1煤层和煤层上方100m左右的岩层范围，共包括10个岩层，模型四周和底面位移约束，顶面施加垂直应力，如图1所示。
四、工作面支架支护阻力验算
ZF6400/19/32型放顶煤液压支架是根据郑州地区煤层地质特征，总结国内外综采技术成果，分析各种掩护式支架特点和使用经验的基础上研制开发的掩护式放顶煤液压支架。该支架的显著特点一是结构简单、主要参数合理，结构比较完善，功能较为全面，纵横稳定性可靠；二是进行了优化设计，改善了支架的受力状况，提高了支架的使用寿命。
针对31111工作面的地质条件，结合支架架型分析，应用以下2种方法计算支架工作阻力。
①顶板结构分析估算法
该计算方法的理论基础是工作面支架工作阻力承受直接顶和顶煤的载荷，并平衡基本顶失稳对支架的动载，支护强度计算公式为：
考虑动载因素的影响，取动载系数为1.5，则支架最大工作阻力需要（2745～3060）×1.5=4118～4590kN。
根据上述计算结果，通过2种方法计算的合理支架工作阻力分别为4032kN和4590kN，均小于31111工作面选择的ZF6400/19/32型支架的工作阻力6400kN。因此，可见31111工作面正常支护段选择的ZF6400/19/32型支架，工作阻力能够满足31111工作面顶板支护要求。
五、端头支架支护阻力验算
ZFG-6400/21/32型过渡支架为伸缩杆式放顶煤过渡支架，该支架由煤科总院北京分院开采装备所研发设计。该支架克服了传统的反四连杆过渡支架空间狭小的缺点，梁端距稳定，能够为采煤机，前后刮板输送机提供充足空间，并保证了有较为顺畅的行人通道和通风断面。
从支护性能上分析，伸缩杆式过渡支架的稳定机构采用了导杆，取代了传统的正四连杆或反四连杆，导杆与底座箱体尺寸合理配合，导杆在箱体上下相对运动过程中，纵向尺寸和横向尺寸不变，从而在理论上保证支架在不同高度位置，梁端距不变。支架设计有内伸式伸缩梁，推力达到247kN，最大伸缩量为800mm，伸缩行程大于割煤步距，能够保证超前（采煤机割煤前）及时支护因片帮暴露的顶板或采煤机割过后新暴露出的顶板，护帮板可以防止煤壁片帮，在煤壁少量片帮时还可以向外伸直防止顶煤冒落。
由数值计算分析结果和现场测试可知，上端头煤体所承受的压力比工作面平均应力高1.2倍左右，31111工作计算所需的最大支护阻力为4590kN，则上端头所需的最大支护阻力为4590×1.2=5508kN<6400kN。因此，31111工作面上端头过渡支架支护阻力满足需要。
六、结语
通过采用CDEM数值模拟分析和计算，得到了裴沟煤矿31111综放工作面端头顶板的应力分布，验证了工作面支架和过渡支架的适应性，可以得到如下结论：
1.工作面煤壁超前20～30m范围内是支承压力影响区，应力集中系数约为2，其中工作面中部应力集中程度最高，工作面上端头位置应力值小于工作面中部，为工作面平均应力值的1.2倍。
2.采用顶板结构分析估算法和现场实测数据计算，工作面支架工作阻力分别为4032KN和4590KN，ZF6400/19/32型支架能够满足31111工作面顶板支护的要求。
3.上端头所需的最大支护阻力为5508KN，ZFG-6400/21/32型过渡支架能够满足31111工作面上端头顶板支护的要求。
参考文献：
[1]芦浩.综放工作面端头支护技术分析[J].江西煤炭科技，2014，（01）：52-53.
[2]宴玉书.我国煤矿软岩巷道围岩控制技术现状及发展趋势[M].徐州：中国矿业大学出版社，1996：l-19.
作者简介：
赵延甫（1983.10-），男，汉族，河南省巩义市，大学本科，副主任科员，研究方向：采矿工程。
李飞越（1969.9-），男，汉族，河南永城市，研究生，工程师，研究方向：煤矿安全管理。
【关键词】综放开采 数值模拟 端头支架 应力分布
【中图分类号】TD82 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）39-0221-02
一、引言
综放工作面端头是工作面顶板事故多发地点，以往端头支护的方式一般为木垛、石架等，后来又变为单体液压支柱加十字铰接顶梁的联合支护，目前普遍采用的是端头支架支护。对于端头顶板的破坏和支护，学者们进行了大量的研究。在顶板破坏形式上，形成了统一的理论，即工作面端头会形成“弧三角形悬板”结构。江光宏等根据现场实际观测，以及实验室相似模拟试验证明，在顶板岩层比较稳定时，工作面端头顶板会形成“弧三角形悬板”结构，证实了“弧三角形悬板”的存在。宋振骐等，康立勋等，宋选民等，朱德仁等通过对放顶煤采煤工作面顶煤的运动规律进行研究发现，采煤工作面端头顶煤的下位部分将会产生许多水平裂隙或离层，这些离层的出现降低了顶煤层的分层厚度，不利于在工作面端头形成有利于护顶的“弧三角形悬板”。在支护理论上，金桃等运用UDEC模拟软件分析了端头支护强度与端頭顶板稳定性的关系，发现随着端头支护强度的增加，端头顶板下沉量减小。曹胜根等应用UDEC程序分析了综放开采端面顶板稳定性与支架工作阻力及端面距的关系，发现端面顶板冒落情况与支架工作阻力及支护角度密切相关。本文以裴沟煤矿31111工作面端头为研究对象，通过CDEM模拟软件分析了端头的应力分布情况，同时，通过计算，对工作面支架和端头支架的适应性进行了研究。
二、31111工作面情况
工作面走向长1600m，倾斜长139m，平均煤厚7.2m，煤层赋存较稳定，煤层倾角8～24°，平均倾角16°，煤硬度系数0.374。直接顶为泥岩或砂质泥岩，平均6m左右，直接顶随回采放顶逐步垮落，老顶为大占砂岩，平均7m左右，直接底板为泥岩或砂质泥岩，平均10m左右，顶底板完整性较好。该工作面回风巷、运输巷外段均为36#U型钢支架支护巷道，设计高度为3.5m，下宽为5.3m，净断面为15.1m2。工作面采用综采放顶煤工艺，采煤机型号：MG250/600-WD，采高2.7m，选择ZF6400/19/32型液压支架86架，过渡支架选用ZFG6400/21/32型6架，上下端头各3架。下端头采用ZFT21000/18/35型端头支架支护顶板，液压支架宽度1.5m，额定工作阻力6400KN。
三、31111工作面上端头应力分布
利用中科院力学所研制的CDEM数值模拟软件，计算31111工作面上端头应力分布。依据31111工作面围岩条件和岩层的参数，建立三维数值模型，模型包括煤层下方25m、二1煤层和煤层上方100m左右的岩层范围，共包括10个岩层，模型四周和底面位移约束，顶面施加垂直应力，如图1所示。
四、工作面支架支护阻力验算
ZF6400/19/32型放顶煤液压支架是根据郑州地区煤层地质特征，总结国内外综采技术成果，分析各种掩护式支架特点和使用经验的基础上研制开发的掩护式放顶煤液压支架。该支架的显著特点一是结构简单、主要参数合理，结构比较完善，功能较为全面，纵横稳定性可靠；二是进行了优化设计，改善了支架的受力状况，提高了支架的使用寿命。
针对31111工作面的地质条件，结合支架架型分析，应用以下2种方法计算支架工作阻力。
①顶板结构分析估算法
该计算方法的理论基础是工作面支架工作阻力承受直接顶和顶煤的载荷，并平衡基本顶失稳对支架的动载，支护强度计算公式为：
考虑动载因素的影响，取动载系数为1.5，则支架最大工作阻力需要（2745～3060）×1.5=4118～4590kN。
根据上述计算结果，通过2种方法计算的合理支架工作阻力分别为4032kN和4590kN，均小于31111工作面选择的ZF6400/19/32型支架的工作阻力6400kN。因此，可见31111工作面正常支护段选择的ZF6400/19/32型支架，工作阻力能够满足31111工作面顶板支护要求。
五、端头支架支护阻力验算
ZFG-6400/21/32型过渡支架为伸缩杆式放顶煤过渡支架，该支架由煤科总院北京分院开采装备所研发设计。该支架克服了传统的反四连杆过渡支架空间狭小的缺点，梁端距稳定，能够为采煤机，前后刮板输送机提供充足空间，并保证了有较为顺畅的行人通道和通风断面。
从支护性能上分析，伸缩杆式过渡支架的稳定机构采用了导杆，取代了传统的正四连杆或反四连杆，导杆与底座箱体尺寸合理配合，导杆在箱体上下相对运动过程中，纵向尺寸和横向尺寸不变，从而在理论上保证支架在不同高度位置，梁端距不变。支架设计有内伸式伸缩梁，推力达到247kN，最大伸缩量为800mm，伸缩行程大于割煤步距，能够保证超前（采煤机割煤前）及时支护因片帮暴露的顶板或采煤机割过后新暴露出的顶板，护帮板可以防止煤壁片帮，在煤壁少量片帮时还可以向外伸直防止顶煤冒落。
由数值计算分析结果和现场测试可知，上端头煤体所承受的压力比工作面平均应力高1.2倍左右，31111工作计算所需的最大支护阻力为4590kN，则上端头所需的最大支护阻力为4590×1.2=5508kN<6400kN。因此，31111工作面上端头过渡支架支护阻力满足需要。
六、结语
通过采用CDEM数值模拟分析和计算，得到了裴沟煤矿31111综放工作面端头顶板的应力分布，验证了工作面支架和过渡支架的适应性，可以得到如下结论：
1.工作面煤壁超前20～30m范围内是支承压力影响区，应力集中系数约为2，其中工作面中部应力集中程度最高，工作面上端头位置应力值小于工作面中部，为工作面平均应力值的1.2倍。
2.采用顶板结构分析估算法和现场实测数据计算，工作面支架工作阻力分别为4032KN和4590KN，ZF6400/19/32型支架能够满足31111工作面顶板支护的要求。
3.上端头所需的最大支护阻力为5508KN，ZFG-6400/21/32型过渡支架能够满足31111工作面上端头顶板支护的要求。
参考文献：
[1]芦浩.综放工作面端头支护技术分析[J].江西煤炭科技，2014，（01）：52-53.
[2]宴玉书.我国煤矿软岩巷道围岩控制技术现状及发展趋势[M].徐州：中国矿业大学出版社，1996：l-19.
作者简介：
赵延甫（1983.10-），男，汉族，河南省巩义市，大学本科，副主任科员，研究方向：采矿工程。
李飞越（1969.9-），男，汉族，河南永城市，研究生，工程师，研究方向：煤矿安全管理。