两柱与四柱综放支架对顶煤二次破碎效果分析

方树林，刘　坤，刘前进

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.伊犁新矿煤业有限责任公司，新疆 伊犁 835000)



两柱与四柱综放支架对顶煤二次破碎效果分析

方树林1，刘坤2，刘前进1

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；2.伊犁新矿煤业有限责任公司，新疆 伊犁 835000)

为研究两柱和四柱综放支架对顶煤的二次破碎效果，采用ANSYS仿真模拟手段分析了支架反复支撑对顶煤的破坏机理，并得出了两种综放支架在不同硬度煤层条件下的顶煤破坏高度。结果表明：随着支架反复支撑次数的增加，顶煤的破坏范围和破坏程度均加大，四柱式综放支架对顶煤的破坏效果优于两柱式综放支架，而端面控顶效果不如后者。对于坚硬或特厚煤层综放开采建议优先选用四柱综放支架，当顶煤的实际厚度大于综放支架对顶煤的最大破坏高度时，需对顶煤采取弱化措施。

两柱支架；四柱支架；综放开采；顶煤二次破碎；反复支撑；有限元模拟

在综放采场中，支架与围岩是一个相互作用的整体，支架在承载顶板和顶煤载荷的同时，也会对直接接触的顶煤产生破坏作用。事实上，支架反复支撑对顶煤的二次破碎效果是判断综放支架适应性的重要标准之一。目前对顶煤破碎机理的研究多是集中在矿山压力的破煤效果，而对支架反复支撑的作用还缺乏深入的研究[1-3]。由于两柱和四柱综放支架在立柱排数、柱窝位置、立柱前倾角、顶梁长度等诸多结构方面的差异，在同等条件下两种支架对顶煤的二次破碎效果不同[4]，但不管是现场测试还是实验室试验都很难对这一过程和破坏效果做到全面监测和真实模拟。因此，采用ANSYS有限元仿真模拟手段，对两柱和四柱综放支架的二次破煤效果进行研究。

1　支架反复支撑对顶煤的破碎机理

在综放工作面向前推进过程中，每完成一个采煤循环，支架控顶区上方的顶煤就要经历一次降架-移架-升架的循环过程，一般支架的顶梁长度要远大于采煤循环步距，因此顶煤从揭露到放出要经历支架多次反复支撑的作用。对于坚硬煤层，为实现顶煤的顺利放出，有时还需要支架原地反复支撑多次，以增加破煤效果。降架过程中支架的卸载为顶煤的移动提供更大的自由空间，促使裂隙的扩展和顶煤的破碎；升架过程中支架的加载进一步加剧了顶煤的再破坏，且由于加载造成顶煤移动空间缩小，引起煤块间的挤压和剪切破坏[5]。支架反复支撑在顶煤内产生交变应力，比静态载荷作用更能加剧顶煤破坏，其作用机理类似于顶煤在循环载荷作用下的疲劳损伤[6-7]。影响支架反复支撑破碎顶煤的因素主要为支架初撑强度与顶煤峰后强度的比值以及支架反复支撑的次数[8]。

2　数值模型的建立

对支架与围岩关系的数值模拟研究一般多采用FLAC3D，3DEC等岩土分析软件。在模拟当中，支架被简化为集中力或杆单元，对支架结构与围岩的相互作用则无法模拟，且顶煤力学特性、支架结构的力学响应及其相互作用关系都属于非线性问题，因此支架围岩系统具有高度的非线性，而ANSYS有限元数值分析软件则能够有效克服上述问题。

分别建立两柱和四柱综放支架与顶煤相互作用的数值分析模型，支架结构尺寸分别按照ZFY12000/23/40D两柱掩护式综放支架和ZF12000/26/40四柱支撑掩护式综放支架的实际尺寸进行模拟，支架高度为3.4m，模型总高度为10m，长15.8m，顶煤厚度为6.6m。为便于和顶煤建立接触关系，支架顶梁采用实体单元plane42模拟，根据支架各结构的受力特点，支架掩护梁、底座、四连杆等构件采用梁单元beam3模拟；立柱采用link180杆单元进行模拟。支架各构件的装配关系以及截面尺寸均按照支架实际进行模拟。

煤体本构模型采用Drucker Prager模型，顶煤与支架顶梁的接触为摩擦接触，摩擦系数为0.2。支架底座、煤体顶部和底部均约束垂直方向上的位移，煤体的右侧约束水平方向上的位移。考虑到超前支承压力对顶煤的预破坏作用，模拟当中对顶煤强度按照峰值前的1/10进行弱化处理[9]，且当顶煤再次发生塑性变形时即认为顶煤破坏。

根据支架反复支撑对顶煤二次破碎的影响因素，确定数值模拟方案如下：

(1)模拟支架初撑力为8000kN，煤层硬度系数f=1.0的情况下，两柱和四柱综放支架反复支撑次数、加卸载过程对顶煤二次破坏效果的影响。根据顶梁长度与采放循环进尺的关系，确定支架反复支撑的最大循环次数为6次。

(2)模拟支架初撑力为8000kN，支架反复支撑6次后，两柱和四柱综放支架对不同硬度顶煤的二次破坏效果。煤层硬度系数分别取0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0等8种情况。

3　模拟结果分析

3.1反复支撑对顶煤的破坏效果分析

3.1.1顶煤应力分布

图1～2分别为两柱与四柱综放支架第1和第6循环载荷作用下顶煤应力分布情况。支架支撑力的影响范围主要是控顶区上方的顶煤以及煤壁前方煤体，且对支架上方顶煤的作用为挤压作用，对端面和煤壁前方顶煤的作用则为拉伸作用，两种作用均会造成相应位置顶煤的变形破坏。由图可知，顶煤应力集中主要出现在支架后方，应力水平从顶梁后铰点至煤壁总体呈降低趋势，可见支架主动支撑力对后部顶煤的破坏作用最为显著。随着循环次数的增加，顶煤应力分布区的范围有所增大，应力集中区的位置有向前移动趋势，这主要是由于后部顶煤发生塑性破坏后卸压的结果。

对比两种支架作用下的顶煤应力分布可知，四柱式综放支架顶煤应力分布范围明显大于两柱式综放支架，且应力集中区的范围也更广。尤其在端面和煤壁前方，四柱式综放支架对顶煤的影响范围大于两柱式综放支架，由于该位置顶煤受拉应力作用，稳定性变差。

图1　两柱综放支架每循环加载后顶煤应力分布

图2　四柱式综放支架每循环加载后顶煤应力分布

图3　综放支架上方顶煤应力沿顶梁长度方向分布

图3(a)、(b)分别为两柱和四柱综放支架上方0.5m处顶煤沿顶梁长度方向的应力分布情况，由两曲线对比可知，两柱和四柱综放支架顶煤应力分布趋势基本相同，即支架对后部顶煤作用力较大，而对前端顶煤作用力较小，从距顶梁后铰点2.8m处开始，顶煤应力开始迅速下降，直到顶梁前端顶煤应力降为最低。因此可以认为，支架支撑力主要对位于顶梁后半部分的顶煤产生作用。两柱式综放支架最大切顶力为1.18MPa，四柱式综放支架最大切顶力为1.15MPa，可见两柱和四柱综放支架对顶梁后部顶煤均能产生较理想的切顶力，但四柱式综放支架产生的后部切顶力更均匀，对后部顶煤的破坏更有利。

3.1.2顶煤塑性区分布

顶煤塑性区的范围反映了支架作用力对顶煤的破坏情况。图4为两柱和四柱综放支架在经历6次循环加卸载后顶煤塑性区的分布。对比可知，四柱式综放支架顶煤塑性区的分布范围更广，因此对顶煤的破坏效果更显著，但是四柱式综放支架对端面顶煤的塑性破坏程度也更大，这对端面顶煤的控制不利。

图4　两柱和四柱综放支架顶煤塑性区分布

表1分别统计了两柱和四柱综放支架在各循环加、卸载阶段顶煤塑性区的单元个数，在第6循环结束时，两柱和四柱综放支架顶煤塑性变形的单元个数分别为309和361，即四柱综放支架顶煤塑性区的面积约为两柱综放支架的1.2倍。随着循环次数的增加，顶煤塑性区的范围有所扩大，但增长幅度有限，顶煤塑性区范围主要由第1循环的载荷决定，可见增大支架支撑能力对于增加支架破煤效果尤为关键。且由每循环加、卸载阶段顶煤塑性区单元个数对比可知，加载和卸载过程均会造成顶煤塑性区范围的扩大，而加载过程的影响更大。

表1　各循环加载卸载阶段顶煤塑性区单元个数统计

3.1.3塑性损伤积累

随着支架反复支撑次数的增加，不仅是塑性区的范围变化，顶煤的破坏程度也会逐渐增大，即产生塑性损伤的积累。在两柱和四柱综放支架控顶区后部顶煤单元中选择同一位置节点，并绘制该节点塑性应变随时间变化的时间历程曲线(图5)。随着循环次数的增加，塑性应变时间历程曲线呈现出明显的阶梯型增长过程，表明在每一次循环加卸载过程中均有一定的塑性损伤积累，支架多次反复支撑加剧了顶煤破坏，但每循环塑性损伤的增长随着循环次数的增加呈减缓趋势。由于加载、卸载过程中顶煤所受作用力方向相反，所产生的塑性应变方向也相反，因此应变曲线表现出明显的棘轮效应[10]，顶煤经过多次“压—张”交变应力作用，损伤破坏进一步加剧。

图5　综放支架控顶区顶煤塑性应变时间历程曲线

3.2不同硬度顶煤的破坏效果分析

在其他条件不变的情况下，模拟不同煤层硬度条件下两柱和四柱综放支架对顶煤的破坏效果。在综放开采中，顶煤的最大破坏高度是评价顶煤可放性的重要标准之一。如图6所示为不同硬度煤层条件下两柱和四柱综放支架顶煤塑性区最大发育高度对比。可见在同等条件下，四柱式综放支架对顶煤的破坏高度明显大于两柱式综放支架。当煤层硬度系数f=3时，两柱综放支架对顶煤最大破坏高度为3.0m，而四柱综放支架对顶煤的最大破坏高度为3.5m。随着煤层硬度的增大，两柱和四柱综放支架对顶煤的破坏高度均减小。对于顶煤放出困难的坚硬或特厚煤层综放开采建议优先选用四柱综放支架，当顶煤的实际厚度大于综放支架对顶煤的最大破坏高度时，需对顶煤采取弱化措施。

图6　不同硬度顶煤塑性区最大高度分布

4　结　论

(1)支架反复支撑在顶煤内产生交变应力，比静态载荷作用更能加剧顶煤破坏，其作用机理类似于顶煤在循环加卸载作用下的疲劳损伤。影响支架反复支撑对顶煤破坏作用的因素主要为支架初撑强度与顶煤峰后强度的比值以及支架反复支撑的次数。

(2)有限元数值模拟结果显示：随着支架反复支撑次数的增加，顶煤的塑性区范围和破坏程度均随之增大，但主要由第1循环载荷的作用决定，支架自身支撑能力仍是决定顶煤破坏效果的最重要因素。反复支撑过程中，支架的加载、卸载均会加剧顶煤破坏，而加载过程对顶煤破坏的影响更显著。

(3)四柱式综放支架对顶煤的破坏效果优于两柱式综放支架，而端面控顶效果不如后者。随着煤层硬度的增大，两柱和四柱综放支架对顶煤的破坏高度均减小。对于坚硬或特厚煤层综放开采建议优先选用四柱综放支架，当顶煤的实际厚度大于综放支架对顶煤的最大破坏高度时，需对顶煤采取弱化措施。

[1]魏锦平.综放面顶煤压裂规律及成拱机理研究[D].太原：太原理工大学，2004.

[2]金智新，于海湧.特厚煤层综采放顶煤开采理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社，2006.

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[责任编辑：于海湧]

Top Coal Secondary Crushing Results by Two Columns and Four Columns Top Coal Caving Support

FANG Shu-lin1，LIU Kun2，LIU Qian-jin1

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Yili Xinkuang Coal Co.，Ltd.，Yili 835000，China)

In order to study recrushing results that two columns and four columns support to top coal，the broken principle of repeated supporting to top coal was analyzed by software ANSYS，then top coal broken height in different hardness coal seam of two top coal caving support were put forward.The results showed that the top coal broken scope and degree increased with support repeated supporting times increased，the broken results of four columns support was better than two columns support，but roof control effect of head face was worse.So four columns support was the best choose for top coal caving in harden or extra thickness coal seam，weaken measures should be adopted as actual thickness of top coal was larger than the maximal top coal broken height that caused by support.

two columns support；four columns support；top coal caving；two broken of top coal；repeated supporting；infinite simulation

2016-04-08

国家自然科学基金项目(51304118)；国家自然科学基金青年项目(51304115)；中煤科工集团面上基金(2014MS034)；天地科技技术创新基金(KJ-2015-TDKC-02)

方树林(1987-)，男，安徽枞阳人，硕士，助理研究员，现从事煤矿巷道支护技术研究工作。

TD355.42

A

1006-6225(2016)05-0004-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.002

[引用格式]方树林，刘坤，刘前进.两柱与四柱综放支架对顶煤的二次破碎效果分析[J].煤矿开采，2016，21(5)：4-7，32.