CN103225509B - 一种大采高综采采场顶板分类与支护阻力确定方法 - Google Patents

Abstract

一种大采高综采采场顶板分类与支护阻力确定方法，属于直接顶分类与确定支护阻力的方法。根据“关键层”理论，提出大采高综采采场直接顶以及直接顶关键层的定义，在缓斜、倾斜煤层条件下，垮落带高度根据计算；直接顶高度根据h_z＝H_k-Δ_z计算。根据每层岩层的力学性质参数，对每层岩层计算及确定硬岩层的位置；根据q₁|_j+1＜q₁|_j，确定直接顶关键层的位置。按是否存在直接顶关键层，将大采高综采采场直接顶分为两类：Ⅰ类直接顶和Ⅱ类直接顶。Ⅰ类直接顶中不存在直接顶关键层，Ⅱ类直接顶存在直接顶关键层。按照此方法对直接顶进行分类后，减小了大采高综采采场直接顶分类的误差，分别计算合理的支架工作阻力，适用于我国大采高综采工作面支架选型工作。

Description

一种大采高综采采场顶板分类与支护阻力确定方法

技术领域

本发明涉及一种采场顶板分类与支护阻力确定方法，特别是一种大采高综采采场顶板分类与支护阻力确定方法。

背景技术

传统矿压理论认为，直接顶是指位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层，基本顶是指位于直接顶之上对采场矿压直接造成影响的厚而坚硬的岩层。针对我国厚煤层的赋存条件而言，煤层上方多为厚度与煤层厚度相当的泥岩或砂质泥岩，即传统矿压理论界定的直接顶，其上即为基本顶。

然而，随着采高的增大，覆岩垮落高度增加，在6m采高条件下覆岩垮落高度可达20m以上，即在普通采高条件下界定的基本顶岩层破断后也垮落到采空区内，不能形成支撑上覆岩层重力的稳定结构，而是形成一种近似“悬臂梁”的结构，随着工作面的推进而垮落到采空区。而采场上覆稳定的平衡结构层位随采高的增大而上移，位于采场上方更高的层位。因此，传统矿压理论所界定的基本顶岩层不能起到基本顶的作用，造成认识上的混淆。

现行的工作面直接顶分类方法充分考虑了直接顶的力学特性和破断特征，对我国采煤工作面设备选型和顶板管理起到了重要的作用，但由于我国煤层赋存的复杂性以及数理统计方法的局限性，该方法应用到大采高综采采场存在如下不足：

1）该方案所统计的样本大多为2～3m采高的综采工作面，5m以上采高的综采面较少。因此，大采高采场直接顶依照该方法进行分类误差较大。

2）该分类方法依据的指标包括直接顶垮落步距、单向抗拉强度、分层厚度、等效抗弯能力等，指标较多且不易获取。

3）目前，我国大采高综采工作面基本特征是采高大、工作面长度和可推进度长、推进速度快、设备重型化，开采环境和设备条件与20世纪80年代相比有很大变化，采用传统方法进行支架选型与实际误差大，甚至不适用。

发明内容

本发明的目的是要提供一种在大采高条件下，综采采场顶板分类与支护阻力确定方法。

本发明的技术方案是：大采高综采采场顶板分类与支护阻力确定方法，

大采高综采采场直接顶的定义为：煤层采出后，砌体梁平衡结构与煤层之间的岩层均为直接顶，所述大采高综采采场直接顶的厚度可按照采场垮落带高度计算。

直接顶关键层的定义为：大采高综采采场直接顶中存在的对垮落带全部或部分岩层垮落起控制作用的厚硬岩层。

a、判断大采高综采采场直接顶关键层位置，步骤如下：

1）计算垮落带高度H_k。在缓斜、倾斜煤层条件下，垮落带高度按照下式计算：

$H_k=\frac{M}{K_k-1}$

式中M为采高，m；

K_k为垮落带岩层平均碎胀系数，取值范围为1.25至1.5。

2）确定直接顶高度h_z。直接顶高度根据覆岩垮落带高度计算：

h_z＝H_k-Δ_z

式中Δ_z为垮落带与平衡结构间自由空间高度，取值范围为1至3m。

3）设直接顶由n（n为正整数）层岩层组成，根据直接顶关键层的定义，按照下列步骤判断：1.是否存在直接顶关键层；2.如果存在直接顶关键层，则确定其位置：

（1）确定硬岩层的位置。从第1层直接顶岩层开始，根据每层岩层的力学参数自下而上对每层岩层计算式中：m为岩层的顺序编号，m≤n且m为正整数；E_m+1为第m+1层岩层的弹性模量，GPa；E_i为第i层岩层的弹性模量，GPa；h_m+1为第m+1层岩层的厚度，m；h_i为第i层岩层的厚度，m；γ_m+1为第m+1层岩层的体积力，kN/m³；γ_i为第i层岩层的体积力，kN/m³。

当时，不再向上计算，此时从第1层向上，第m+1层岩层为第1层硬岩层。从第1层硬岩层（即第m+1层岩层）开始，按上述的方法判断是否存在其他硬岩层，直至判断完位于最上面的一层岩层。

若m+1>n，则停止计算，说明不存在直接顶关键层；若m+1≤n，则进行第（2）步计算。

（2）判断硬岩层是否为直接顶关键层。由直接顶关键层的定义，若直接顶上方有j层岩层协调同步变形，则第j+1层岩层对第1层硬岩层的载荷为：

$q_1{|}_j=\frac{E_1{h}_1^3\underset{i=1}{\overset{j+1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i{h}_i}{\underset{i=1}{\overset{j+1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i{h}_i^3}$

式中E₁为第1层直接顶弹性模量，GPa；

h₁为第1层岩层的厚度，m；

γ_i为第i层岩层的体积力，kN/m³；

E_i为第i层岩层的弹性模量，GPa；

h_i为第i层岩层的厚度，m。

若q₁|_j+1＜q₁|_j，则第j（j+m≤n）层岩层为直接顶关键层；若q₁|_j+1≥q₁|_j，则不存在直接顶关键层。

b、按是否存在直接顶关键层，将大采高综采采场直接顶分为两类：Ⅰ类直接顶和Ⅱ类直接顶。Ⅰ类直接顶中不存在直接顶关键层，Ⅱ类直接顶存在直接顶关键层。

Ⅰ类直接顶的支架的合理工作阻力P的计算式为：

$P=\frac{\mathrm{nM\γ}{L}_{k}B}{(K_k-1)}$

式中：n为动载系数；

K_k为Ⅰ类直接顶破碎后碎胀系数；

L_k为支架控顶距，m；

B为支架中心距，m；

M为采高，m；

γ为岩层容重，kN/m³。

Ⅱ类直接顶的支架的合理工作阻力P的计算式为：

P＝γB[h₀₁l_k+(n-1)h_zl_k+C_d(h_z-h₀₁)(l₀+l_k)]

式中：γ为岩层容重，kN/m³；

B为支架中心距，m；

h₀₁为下位直接顶厚度，m；

l_k为支架控顶距，m；

n为动载系数；

h_z为直接顶总厚度，m；

C_d为冲击动载系数；

l₀为直接顶关键层悬顶长度，m。

本发明的有益效果：由于采用了上述方案，确定直接顶中硬岩层的位置，判断硬岩层是否为直接顶关键层，进而可以按是否存在直接顶关键层，将大采高综采采场直接顶分为两类：Ⅰ类直接顶和Ⅱ类直接顶。Ⅰ类直接顶中不存在直接顶关键层，Ⅱ类直接顶存在直接顶关键层。按照此方法对直接顶进行分类后，减小了大采高综采采场直接顶分类的误差，分别计算合理的支架工作阻力，适用于我国大采高综采工作面支架选型工作。

附图说明

图1为本发明一种大采高综采采场顶板分类与支护阻力确定方法Ⅱ类直接顶动载失稳计算模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步说明：

图中：1、基本顶，2、上位直接顶，3、直接顶关键层，4、下位直接顶，5、液压支架。

根据直接顶关键层的定义，借鉴覆岩结构关键层位置的判别方法，大采高综采采场直接顶关键层位置可按照如下方法判别。

a、判断大采高综采采场直接顶关键层位置，步骤如下：

1）计算垮落带高度H_k。在缓斜、倾斜煤层条件下，垮落带高度按照下式计算：

$H_k=\frac{M}{K_k-1}$

式中M为采高，m；

K_k为垮落带岩层平均碎胀系数，取值范围为1.25至1.5。

2）确定直接顶高度h_z。直接顶高度根据覆岩垮落带高度计算：

h_z＝H_k-Δ_z

式中Δ_z为垮落带与平衡结构间自由空间高度，取值范围为1至3m。

3）设直接顶由n（n为正整数）层岩层组成，根据直接顶关键层的定义，按照下列步骤判断：1.是否存在直接顶关键层；2.如果存在直接顶关键层，则确定其位置：

（1）确定硬岩层的位置。从第1层直接顶岩层开始，根据每层岩层的力学参数自下而上对每层岩层计算式中：m为岩层的顺序编号，m≤n且m为正整数；E_m+1为第m+1层岩层的弹性模量，GPa；E_i为第i层岩层的弹性模量，GPa；h_m+1为第m+1层岩层的厚度，m；h_i为第i层岩层的厚度，m；γ_m+1为第m+1层岩层的体积力，kN/m³；γ_i为第i层岩层的体积力，kN/m³。

当时，不再向上计算，此时从第1层向上，第m+1层岩层为第1层硬岩层。从第1层硬岩层（即第m+1层岩层）开始，按上述的方法判断是否存在其他硬岩层，直至判断完位于最上面的一层岩层。

若m+1>n，则停止计算，说明不存在直接顶关键层；若m+1≤n，则进行第（2）步计算。

（2）判断硬岩层是否为直接顶关键层。由直接顶关键层的定义，若直接顶上方有j层岩层协调同步变形，则第j+1层岩层对第1层硬岩层的载荷为：

$q_1{|}_j=\frac{E_1{h}_1^3\underset{i=1}{\overset{j+1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i{h}_i}{\underset{i=1}{\overset{j+1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i{h}_i^3}$

式中E₁为第1层直接顶弹性模量，GPa；

h₁为第1层岩层的厚度，m；

γ_i为第i层岩层的体积力，kN/m³；

E_i为第i层岩层的弹性模量，GPa；

h_i为第i层岩层的厚度，m。

若q₁|_j+1＜q₁|_j，则第j（j+m≤n）层岩层为直接顶关键层；若q₁|_j+1≥q₁|_j，则不存在直接顶关键层，停止计算。

b、按本实施例q₁|_j+1＜q₁|_j判断，存在直接定关键层，即为Ⅱ类直接顶。

Ⅱ类直接顶的支架的合理工作阻力P的计算式为：

P＝γB[h₀₁l_k+(n-1)h_zl_k+C_d(h_z-h₀₁)(l₀+l_k)]

式中：γ为岩层容重，kN/m³；

B为支架中心距，m；

h₀₁为下位直接顶厚度，m；

l_k为支架控顶距，m；

n为动载系数；

h_z为直接顶总厚度，m；

C_d为冲击动载系数；

l₀为直接顶关键层悬顶长度，m。

计算Ⅱ类直接顶的支架的合理工作阻力后，即可以根据计算结果选择合适的液压支架。

Claims (1)

1.一种大采高综采采场顶板分类与支护阻力确定方法，其特征是包括如下步骤： 

a、判断大采高综采采场直接顶关键层位置，步骤如下： 

1)计算垮落带高度H_k:在缓斜、倾斜煤层条件下，垮落带高度按照下式计算： 

式中M为采高，m； 

K_k为垮落带岩层平均碎胀系数，取值范围为1.25至1.5； 

2)确定直接顶高度h_z；直接顶高度根据覆岩垮落带高度计算： 

h_z＝H_k-Δ_z

式中Δ_z为垮落带与平衡结构间自由空间高度，取值范围为1至3m； 

3)设直接顶由n层岩层组成、n为正整数，根据直接顶关键层的定义，按照下列步骤判断：(3-1)是否存在直接顶关键层；(3-2)如果存在直接顶关键层，则确定其位置： 

(1)确定硬岩层的位置:从第1层直接顶岩层开始，根据每层岩层的力学参数自下而上对每层岩层计算及式中：m为岩层的顺序编号，m≤n且m为正整数；E_m+1为第m+1层岩层的弹性模量，GPa；E_i为第i层岩层的弹性模量，GPa；h_m+1为第m+1层岩层的厚度，m；h_i为第i层岩层的厚度，m；γ_m+1为第m+1层岩层的体积力，kN/m³；γ_i为第i层岩层的体积力，kN/m³； 

当时，不再向上计算，此时从第1层向上，第m+1层岩层为第1层硬岩层；从第1层硬岩层、即第m+1层岩层开始，按上述的方法判断是否存在其他硬岩层，直至判断完位于最上面的一层岩层； 

若m+1>n，则停止计算，说明不存在直接顶关键层；若m+1≤n，则进行第(2)步计算； 

(2)判断硬岩层是否为直接顶关键层:由直接顶关键层的定义，若直接顶上方有j层岩层协调同步变形，则第j+1层岩层对第1层硬岩层的载荷为： 

式中E₁为第1层直接顶弹性模量，GPa； 

h₁为第1层岩层的厚度，m； 

γ_i为第i层岩层的体积力，kN/m³； 

E_i为第i层岩层的弹性模量，GPa； 

h_i为第i层岩层的厚度，m； 

若q₁|_j+1＜q₁|_j，则第j(j+m≤n)层岩层为直接顶关键层；若q₁|_j+1≥q₁|_j，则不存在直 接顶关键层； 

b、按是否存在直接顶关键层，将大采高综采采场直接顶分为两类：Ⅰ类直接顶和Ⅱ类直接顶；Ⅰ类直接顶中不存在直接顶关键层，Ⅱ类直接顶存在直接顶关键层； 

Ⅰ类直接顶的支架的合理工作阻力P的计算式为： 

式中：n为动载系数； 

K_k为Ⅰ类直接顶破碎后碎胀系数； 

L_k为支架控顶距； 

B为支架中心距； 

M为采高； 

γ为岩层容重； 

Ⅱ类直接顶的支架的合理工作阻力P的计算式为： 

P＝γB[h₀₁l_k+(n-1)h_zl_k+C_d(h_z-h₀₁)(l₀+l_k)] 

式中：γ为岩层容重； 

B为支架中心距； 

h₀₁为下位直接顶厚度； 

l_k为支架控顶距； 

n为动载系数； 

h_z为直接顶总厚度； 

C_d为冲击动载系数； 

l₀为直接顶关键层悬顶长度；

大采高综采采场直接顶的定义为：煤层采出后，砌体梁平衡结构与煤层之间的岩层均为直接顶；所述大采高综采采场直接顶的厚度按照采场垮落带高度计算； 

直接顶关键层的定义为：大采高综采采场直接顶中存在的对垮落带全部或部分岩层垮落起控制作用的厚硬岩层。