CN105956304A - 一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法及装置，属于煤矿开采领域，用以解决现有煤矿大采高工作面支架额定工作阻力设计中存在算法简单，误差大，增加开采成本的问题。包括：将煤矿大采高工作面从上至下依次分为老顶关键层，等效直接顶层和采高层；在老顶关键层内划分第一关键块和第二关键块，确认第一关键块和第二关键块之间的接触点以及接触点高度，获取第一关键块的长度及水平方向的回转角，第二关键块的长度及垂直方向的岩层破断角，以及第一关键块和第二关键块的端角摩擦系数；将等效直接顶层厚度分为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度和易垮落等效直接顶层厚度；根据支架额定承受载荷公式确定支架额定承受载荷。

Description

一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法及装置

技术领域

本发明属于煤矿开采设备技术领域，更具体的涉及一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法及装置。

背景技术

我国厚煤层储量及产量占全国煤炭储量及产量的40％～46％，其中浅埋厚煤层储量丰富。大采高层综采具有生产能力大、回采工效和采出率高、吨煤成本低等突出优点，是厚煤层安全高效开采的主要方法。实践表明，浅埋厚煤层大采高层工作面具有顶板来压迅猛的特殊性，若支架选型偏小则会造成工作面压垮事故，形成人员伤亡。因而，浅埋煤层大采高层液压支架选型越来越大，开采成本成倍提高。根据4～7m大采高层工作面实践，采高层4m时工作面支架选型为5800kN/架；采高层5m时为8000kN/架；采高层6m达到10000kN/架；采高层7m为12000-16000kN/架。

大采高层综采设备中液压支架所占成本比重最大，液压支架的额定工作阻力决定支架的选型，直接影响安全经济开采，具有重要意义。从理论上，国内对浅埋煤层大采高层工作面顶板结构及其稳定性的研究较少，对工作面顶板结构的认识及支架工作阻力的确定方法也不统一。大采高层工作面顶板结构的特殊性决定了其支护阻力的确定方法将异于普通采高层，因此不能沿用以前的结论，必须针对大采高层工作面的实际情况提出相应的顶板结构理论并给出合理的支护阻力确定方法。从技术上，国内对支架额定工作阻力的确定一般采用估算法或工程类比法。这两种方法虽然简单易操作，但误差较大，为了生产安全一般选择的支架额定工作阻力比实际需要的大很多，这就造成了“浪费”，增加了开采成本，对于目前的煤炭形势不可取。

综上所述，现在技术中针对大采高层工作面支架额定工作阻力的设计方法，存在算法简单，误差大，导致增加开采成本的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法及装置，用以解决现有技术中针对大采高层工作面支架额定工作阻力的设计方法，存在算法简单，误差大，导致增加开采成本的问题。

本发明实施例提供一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法，包括：

根据大采高层工作面的支架与顶板相互作用的剖面，将所述大采高层工作面从上至下依次分为老顶关键层，等效直接顶层和采高层，并确认所述老顶关键层厚度，所述等效直接顶层厚度和所述采高层厚度；

根据所述老顶关键层的结构，在所述老顶关键层内划分第一关键块和第二关键块，依次确认所述第一关键块和所述第二关键块之间的接触点以及接触点高度，获取所述第一关键块的长度，所述第一关键块在水平方向的回转角，所述第二关键块的长度，所述第二关键块在垂直方向的岩层破断角，以及所述第一关键块和所述第二关键块的端角摩擦系数；

根据所述等效直接顶层厚度，将所述等效直接顶层厚度从上至下分为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度和易垮落等效直接顶层厚度；

根据公式(1)确定所述老顶关键层中的第一关键块或第二关键块对所述等效直接顶层的作用力，根据公式(2)确定所述等效直接顶层形成的“短悬臂梁”的自重，根据公式(3)确定所述易垮落等效直接顶层自重，根据公式(4)确定支架额定承受载荷；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

R₂≈Blh₂γ

公式(3)如下所示：

$R_3\≈B(l_k+\frac{1}{2}{h}_3\cot \mathrm{\α})h_3\mathrm{\γ}$

公式(4)如下所示：

$\begin{array}{c}{P}_m=R_1+R_2+R_3=B({\mathrm{lh}}_2+l_k{h}_3+\frac{1}{2}{h_3}^2\cot \mathrm{\α})\mathrm{\γ}\\ +\[1-\frac{h_1\cot \mathrm{\β}+\frac{L}{2}}{2(h_1-m+0.3{\mathrm{\Σh}}_i)}\]({\mathrm{Bh}}_{1}L\mathrm{\γ}+K_G{\mathrm{Bh}}_z{\mathrm{L\γ}}_z)\end{array}$

在公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，R₁为所述第一关键块对等效直接顶层的作用力，R₂为等效直接顶层形成的“短悬臂梁”自重，R₃为易垮落等效直接顶层自重，P_m为支架承受的载荷，h₁为老顶关键层厚度，∑h_i为等效直接顶层厚度，h₂为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度，h₃为易垮落等效直接顶层厚度，h_z为载荷层厚度，m为采高层厚度，θ为第一关键块在水平方向的回转角，B为支架宽度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，L为第二关键块长度，γ为基岩平均容重，K_G(≤1)为载荷传递系数；γ_z为载荷层平均容重，为关键块端角摩擦系数，l为等效直接顶层“短悬臂梁”长度，l_k为支架控顶距，α为易垮落等效直接顶层破断角，θ＝0。优选地，根据所述老顶关键层的结构，确定第二关键块完全落在垮落矸石，根据所述第二关键块和所述第一关键块之间的接触点，通过公式(5)，确定所述第二关键块的下沉量：

W＝m-(K_p-1)∑h_i

其中，K_p为岩石碎胀系数，∑h_i为等效直接顶层厚度，m为采高层厚度，W为所述第二关键块的下沉量；

通过公式(6)，确定所述第一关键块的水平挤压力：

$T=\frac{\frac{h_1}{sin\mathrm{\β}}cos(\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})+\frac{L}{2}cos\mathrm{\θ}}{\frac{h_1}{\sin \mathrm{\β}}\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})-W-0.5a}{P}_1$

其中，T为水平挤压力，h₁为老顶关键层厚度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，W为所述第二关键块的下沉量，L为第二关键块长度；

P₁通过公式(7)确定：

P₁＝R_G+R_Z＝Bh₁Lγ+K_GBh_zLγ_z

其中，R_G为第一关键块重量，R_Z为载荷层传递的重量。

优选地，所述采高层和所述等效直接顶层之间具有如下关系：

∑h_i＝5.4m+4.5

其中，∑h_i为等效直接顶层厚度，m为采高层厚度。

优选地，当考虑支护效率时，所述支架额定承受载荷通过下列公式确定：

其中，μ为支架的支护效率。

本发明实施例还提供一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定装置，包括：

厚度确定单元，用于根据大采高层工作面的支架与顶板相互作用剖面，将所述大采高层工作面从上至下依次分为老顶关键层，等效直接顶层和采高层，并确认所述老顶关键层厚度，所述等效直接顶层厚度和所述采高层厚度；

参数确定单元，用于根据所述老顶关键层的结构，在所述老顶关键层内划分第一关键块和第二关键块，依次确认所述第一关键块和所述第二关键块之间的接触点以及接触点高度，获取所述第一关键块的长度，所述第一关键块在水平方向的回转角，所述第二关键块的长度，所述第二关键块在垂直方向的岩层破断角，以及所述第一关键块和所述第二关键块的端角摩擦系数；

划分单元，用于根据所述等效直接顶层厚度，将所述等效直接顶层厚度从上至下分为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度和易垮落等效直接顶层厚度；

确定单元，用于根据公式(1)确定所述老顶关键层中的第一关键块或者第二关键块对所述等效直接顶层的作用力，根据公式(2)确定所述等效直接顶层形成的“短悬臂梁”的自重，根据公式(3)确定所述易垮落等效直接顶层自重，根据公式(4)确定支架额定承受载荷；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

R₂≈Blh₂γ

公式(3)如下所示：

$R_3\≈B(l_k+\frac{1}{2}{h}_3\cot \mathrm{\α})h_3\mathrm{\γ}$

公式(4)如下所示：

$\begin{array}{c}{P}_m=R_1+R_2+R_3=B({\mathrm{lh}}_2+l_k{h}_3+\frac{1}{2}{h_3}^2\cot \mathrm{\α})\mathrm{\γ}\\ +\[1-\frac{h_1\cot \mathrm{\β}+\frac{L}{2}}{2(h_1-m+0.3{\mathrm{\Σh}}_i)}\]({\mathrm{Bh}}_{1}L\mathrm{\γ}+K_G{\mathrm{Bh}}_z{\mathrm{L\γ}}_z)\end{array}$

在公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，R₁为所述第一关键块对等效直接顶层的作用力，R₂为等效直接顶层形成的“短悬臂梁”自重，R₃为易垮落等效直接顶层自重，P_m为支架承受的载荷，h₁为老顶关键层厚度，∑h_i为等效直接顶层厚度，h₂为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度，h₃为易垮落等效直接顶层厚度，h_z为载荷层厚度，m为采高层厚度，θ为第一关键块在水平方向的回转角，B为支架宽度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，L为第二关键块长度，γ为基岩平均容重，K_G(≤1)为载荷传递系数；γ_z为载荷层平均容重，为关键块端角摩擦系数，l为等效直接顶层“短悬臂梁”长度，l_k为支架控顶距，α为易垮落等效直接顶层破断角，θ＝0。优选地，所述确定单元还用于：

根据所述老顶关键层的结构，确定第二关键块完全落在垮落矸石，根据所述第二关键块和所述第一关键块之间的接触点，通过公式(5)，确定所述第二关键块的下沉量：

W＝m-(K_p-1)∑h_i

其中，K_p为岩石碎胀系数，∑h_i为等效直接顶层厚度，m为采高层厚度，W为所述第二关键块的下沉量；

通过公式(6)，确定所述第一关键块的水平挤压力：

$T=\frac{\frac{h_1}{sin\mathrm{\β}}cos(\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})+\frac{L}{2}cos\mathrm{\θ}}{\frac{h_1}{\sin \mathrm{\β}}\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})-W-0.5a}{P}_1$

其中，T为水平挤压力，h₁为老顶关键层厚度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，W为所述第二关键块的下沉量，L为第二关键块长度，；

P₁通过公式(7)确定：

P₁＝R_G+R_Z＝Bh₁Lγ+K_GBh_zLγ_z

其中，R_G为第一关键块重量，R_Z为载荷层传递的重量。

优选地，所述采高层和所述等效直接顶层之间具有如下关系：

∑h_i＝5.4m+4.5

其中，∑h_i为等效直接顶层厚度，m为采高层厚度。

优选地，所述确定单元还用于：

当考虑支护效率时，所述支架额定承受载荷通过下列公式确定：

其中，μ为支架的支护效率。

本发明实施例中，提供一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法及装置，包括：根据大采高层工作面的支架与顶板相互作用剖面，将所述大采高层工作面从上至下依次分为老顶关键层，等效直接顶层和采高层，并确认所述老顶关键层厚度，所述等效直接顶层厚度和所述采高层厚度；根据所述老顶关键层的结构，在所述老顶关键层内划分第一关键块和第二关键块，依次确认所述第一关键块和所述第二关键块之间的接触点以及接触点厚度，获取所述第一关键块的长度，所述第一关键块在水平方向的回转角，所述第二关键块的长度，所述第二关键块在垂直方向的岩层破断角，以及所述第一关键块和所述第二关键块的端角摩擦系数；根据所述等效直接顶层厚度，将所述等效直接顶层厚度从上至下分为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度和易垮落等效直接顶层厚度；根据公式确定所述老顶关键层中的第一关键块或者第二关键块对所述等效直接顶层的作用力，根据公式R₂≈Blh₂γ，确定所述等效直接顶层形成的“短悬臂梁”的自重，根据公式确定所述易垮落等效直接顶层自重，根据公式确定支架额定承受载荷；其中，上述公式中，R₁为所述第一关键块对等效直接顶层的作用力，R₂为等效直接顶层形成的“短悬臂梁”自重，R₃为易垮落等效直接顶层自重，P_m为支架承受的载荷，h₁为老顶关键层厚度，∑h_i为等效直接顶层厚度，h₂为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度，h₃为易垮落等效直接顶层厚度，h_z为载荷层厚度，m为采高层厚度，θ为第一关键块在水平方向的回转角，B为支架宽度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，L为第二关键块长度，γ为基岩平均容重，K_G(≤1)为载荷传递系数；γ_z为载荷层平均容重，为关键块端角摩擦系数，l为等效直接顶层“短悬臂梁”长度，l_k为支架控顶距，α为易垮落等效直接顶层破断角，θ＝0。上述实施例中，根据大采高层工作面的特点，将大采高工作面从上至下依次区分为三层，并针对各个层的结构，提出了符合实践的“短悬臂梁-高位斜台阶岩梁”顶板结构模型，结合顶板结构模型，确定了大采高工作面支架额定承受载荷，上述方法，为大采高工作面的安全、经济、高效开采提供理论指导，解决现有技术中针对大采高层工作面支架额定工作阻力的设计方法，存在算法简单，误差大，导致增加开采成本的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的等效直接顶层厚度与采高层厚度的关系示意图；

图3为本发明实施例提供的大采高工作面顶板整体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的“短悬臂梁-高位斜台阶岩梁”结构示意图；

图5为本发明实施例提供的“高位斜台阶岩梁”结构关键块受力示意图；

图6为本发明实施例提供的一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法流程示意图，该方法至少可以应用煤矿开采中。

如图1所示，本发明实施例提供的一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法包括以下步骤：

步骤101，根据大采高层工作面的支架与顶板相互作用剖面，将所述大采高层工作面从上至下依次分为老顶关键层，等效直接顶层和采高层，并确认所述老顶关键层厚度，所述等效直接顶层厚度和所述采高层厚度；

步骤102，根据所述老顶关键层的结构，在所述老顶关键层内划分第一关键块和第二关键块，依次确认所述第一关键块和所述第二关键块之间的接触点以及接触点厚度，获取所述第一关键块的长度，所述第一关键块在水平方向的回转角，所述第二关键块的长度，所述第二关键块在垂直方向的岩层破断角，以及所述第一关键块和所述第二关键块的端角摩擦系数；

步骤103，根据所述等效直接顶层厚度，将所述等效直接顶层厚度从上至下分为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度和易垮落等效直接顶层厚度；

步骤104，根据公式(1)确定所述老顶关键层中的第一关键块或者第二关键块对所述等效直接顶层的作用力，根据公式(2)确定所述等效直接顶层形成的“短悬臂梁”的自重，根据公式(3)确定所述易垮落等效直接顶层自重，根据公式(4)确定支架额定承受载荷；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

R₂≈Blh₂γ

公式(3)如下所示：

$R_3\≈B(l_k+\frac{1}{2}{h}_3\cot \mathrm{\α})h_3\mathrm{\γ}$

公式(4)如下所示：

$\begin{array}{c}{P}_m=R_1+R_2+R_3=B({\mathrm{lh}}_2+l_k{h}_3+\frac{1}{2}{h_3}^2\cot \mathrm{\α})\mathrm{\γ}\\ +\[1-\frac{h_1\cot \mathrm{\β}+\frac{L}{2}}{2(h_1-m+0.3{\mathrm{\Σh}}_i)}\]({\mathrm{Bh}}_{1}L\mathrm{\γ}+K_G{\mathrm{Bh}}_z{\mathrm{L\γ}}_z)\end{array}$

在公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，R₁为所述第一关键块对等效直接顶层的作用力，R₂为等效直接顶层形成的“短悬臂梁”自重，R₃为易垮落等效直接顶层自重，P_m为支架承受的载荷，h₁为老顶关键层厚度，∑h_i为等效直接顶层厚度，h₂为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度，h₃为易垮落等效直接顶层厚度，h_z为载荷层厚度，m为采高层厚度，θ为第一关键块在水平方向的回转角，B为支架宽度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，L为第二关键块长度，γ为基岩平均容重，K_G(≤1)为载荷传递系数；γ_z为载荷层平均容重，为关键块端角摩擦系数，l为等效直接顶层“短悬臂梁”长度，l_k为支架控顶距，α为易垮落等效直接顶层破断角，θ＝0。需要说明的是，在介绍本发明实施例提供的一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法之前，需要先介绍为浅埋大采高层工作面支架特点。

大采高层工作面随着采高层的加大支架载荷大幅增加，支架额定工作阻力的设计显得尤为重要。现有技术中，由于没有认识到大采高层覆岩结构的变化对支架载荷的影响，沿用普通采高层支架额定工作阻力的确定方法，或是采用估算法、工程类比法等，误差都比较大。

为了实现煤炭的安全经济高效开采，本发明实施例中，以大采高层工作面矿压实测数据、煤层钻孔综合柱状图等为资料，通过相似模拟、数值计算对工作面顶板结构进行深入分析研究。提出一种科学合理的支架工作阻力确定方法，为大采高层工作面支架额定工作阻力设计提供理论依据。

本发明实施例提供的一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法，主要包括下列实施方法：

1.大采高层工作面等效直接顶层厚度的确定：

不同的直接顶垮落后对采空区的充填程度不同，形成不同的顶板结构，支架载荷的确定应根据具体顶板结构进行。

现场观测、相似模拟及理论分析均表明，在普通采高工作面顶板中能形成铰接结构的岩层，在大采高情况下由于充填不充分，铰接结构回转角过大，难以形成铰接而垮落。因此，原属老顶关键层的下位岩层垮落而转化为直接顶充填作用，使直接顶“变厚”。在本发明实施例中，将煤层至老顶关键层铰接结构之间起直接顶作用的全部垮落岩层称为等效直接顶层。

等效直接顶层对采空区的充填程度决定着工作面顶板结构的形态、稳定性及工作面来压的大小，是支架载荷确定的基础。

图2为本发明实施例提供的等效直接顶层厚度与采高层后的关系示意图，图2中所示的关系图，是通过大量的工程实践数据，其中，图2所提供的关系如公式(8)所示：

∑h_i＝5.4m+4.5 (8)

在公式(8)中，∑h_i为等效直接顶层厚度，单位为m；m为采高层厚度，单位为m。

2.大采高层工作面覆岩“短悬臂梁-高位斜台阶岩梁”结构模型：

图3为本发明实施例提供的大采高工作面顶板整体结构示意图。如图3所示，大采高层工作面随着采高层的加大，顶板冒落范围增大，较厚的等效直接顶层难以随支架前移及时垮落，常出现悬顶，表现为“短悬臂梁”结构。由于采高层加大后等效直接顶层厚度变大，老顶关键层的结构层位上移，且岩层破断具有一定的破断角，呈现台阶状下沉，形成“高位斜台阶岩梁”结构。根据上述分析，综合工作面“直接顶-老顶关键层”结构形态，提出大采高层工作面覆岩“短悬臂梁-高位斜台阶岩梁”结构模型。

图4为本发明实施例提供的“短悬臂梁-高位斜台阶岩梁”结构示意图。如图4所示，在“短悬臂梁-高位斜台阶岩梁”结构模型中，h₁为老顶关键层厚度，单位为m；∑h_i为等效直接顶层厚度，单位为m；h₂为直接顶“短悬臂梁”厚度，单位为m；h₃为易垮落等效直接顶层厚度，单位为m；m为采高层厚度，单位为m；M、N为老顶关键层“高位斜台阶岩梁”结构关键块；R₁为M岩块对等效直接顶层的作用力，单位为kN/架；R₂为等效直接顶层形成的“短悬臂梁”自重，单位为kN/架；R₃为易垮落等效直接顶层自重，单位为kN/架；P_m为支架承受的载荷，单位为kN/架；A、C、B为关键块铰接点；d为M、N岩块台阶高度，单位为m；W为N岩块回转下沉量，单位为m；θ为M岩块的回转角，单位为度。

3.支架载荷的确定

(1)老顶关键层中的关键块对所述等效直接顶层的作用力

图5为本发明实施例提供的“高位斜台阶岩梁”结构第一关键块或者第二关键块受力分析示意图。如图5所示，“高位斜台阶岩梁”结构中N关键块完全落在垮落矸石上，M关键块回转受到N关键块在C点的支撑。此时，N关键块基本处于压实状态，可取R_N≈P₂，Q_B≈0，则N关键块的下沉量可以由下列公式(5)确定：

W＝m-(K_P-1)∑h_i (5)

公式(5)中，K_p为岩石碎胀系数。

进一步地，如图5所示，对M关键块取∑M_C＝0，则对整个系统取∑F_y＝0，即可以通过下列公式(6)确定第M关键块的水平挤压力：

$T=\frac{\frac{h_1}{\sin \mathrm{\β}}cos(\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})+\frac{L}{2}cos\mathrm{\θ}}{\frac{h_1}{\sin \mathrm{\β}}\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})-W-0.5a}{P}_1---\left(6\right)$

Q_A≈P₁ (9)

公式(6)和公式(9)中，P₁由老顶关键层重量R_G和载荷层传递的重量R_Z组成，P₁可以通过下列公式(7)确定：

P₁＝R_G+R_Z＝Bh₁Lγ+K_GBh_zLγ_z (7)

在公式(7)中，B为支架宽度，单位为m；β为岩层破断角，单位为度；a为接触面高度，单位为m；L为关键块长度，单位为m；γ为基岩平均容重，kN/m³；K_G(≤1)为载荷传递系数；h_z为载荷层厚度，单位为m；γ_z为载荷层平均容重，单位为kN/m³。

在实际应用中，为了防止“高位斜台阶岩梁”结构滑落失稳，则必须符合下列公式(10)所示的滑落失稳条件：

公式(10)中，T为水平挤压力，单位为kN；为关键块端角摩擦系数；R₁为维持关键块M稳定所需的支撑力，单位为kN/架；Q_A为A接触铰上的剪力，单位为kN/架。

由公式(6)～公式(10)可以确定，“高位斜台阶岩梁”结构向下传递的载荷可以用下列公式(1)表示：

(2)等效直接顶层形成的“短悬臂梁”的自重

根据图4提供的“短悬臂梁-高位斜台阶岩梁”结构示意图，等效直接顶层不能形成铰接结构，其重量全部由支架承担，则可以根据下列公式(2)，确定等效直接顶层形成的“短悬臂梁”的自重：

R₂≈Blh₂γ (2)

进一步地，根据下列公式(3)，确定易垮落等效直接顶层自重：

$R_3\≈B(l_k+\frac{1}{2}{h}_3\cot \mathrm{\α})h_3\mathrm{\γ}---\left(3\right)$

公式(2)和公式(3)中，l为“短悬臂梁”长度，单位为m；l_k为支架控顶距，单位为m；α为下层等效直接顶层破断角，单位为度。

进一步地，根据公式(4)，可以确定支架额定承受载荷：

$\begin{array}{c}{P}_m=R_1+R_2+R_3=B({\mathrm{lh}}_2+l_k{h}_3+\frac{1}{2}{h_3}^2\cot \mathrm{\α})\mathrm{\γ}\\ +\[1-\frac{h_1\cot \mathrm{\β}+\frac{L}{2}}{2(h_1-m+0.3{\mathrm{\Σh}}_i)}\]({\mathrm{Bh}}_{1}L\mathrm{\γ}+K_G{\mathrm{Bh}}_z{\mathrm{L\γ}}_z)\end{array}---\left(4\right)$

上述公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，R₁为所述第一关键块对等效直接顶层的作用力，R₂为等效直接顶层形成的“短悬臂梁”自重，R₃为易垮落等效直接顶层自重，P_m为支架承受的载荷，h₁为老顶关键层厚度，∑h_i为等效直接顶层厚度，h₂为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度，h₃为易垮落等效直接顶层厚度，h_z为载荷层厚度，m为采高层厚度，θ为第一关键块在水平方向的回转角，B为支架宽度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，L为第二关键块长度，γ为基岩平均容重，K_G(≤1)为载荷传递系数；γ_z为载荷层平均容重，为关键块端角摩擦系数，l为等效直接顶层“短悬臂梁”跨度，l_k为支架控顶距，α为易垮落等效直接顶层破断角，θ很小，可取θ＝0。

需要说明的是，上述确定支架额定承受载荷之前，还包括：

根据公式(11)确定理论支架额定承受载荷：

P_m＝R₁+R₂+R₃ (11)

公式(11)中，P_m为支架载荷，单位为kN/架；R₁为老顶关键层“高位斜台阶岩梁”结构传递的载荷，单位为kN/架；R₂为等效直接顶层形成的“短悬臂梁”自重，单位为kN/架；R₃为易垮落等效直接顶层自重，单位kN/架。

进一步地，将公式(1)，公式(2)和公式(3)代入公式(11)，可以得到下列公式(12)：

$P_m=B({\mathrm{lh}}_2+l_k{h}_3+\frac{1}{2}{h_3}^2\cot \mathrm{\α})\mathrm{\γ}+\[1-\frac{\frac{h_1}{sin\mathrm{\β}}cos(\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})+\frac{L}{2}cos\mathrm{\θ}}{\frac{h_1}{sin\mathrm{\β}}sin(\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})-m+(K_P-1){\mathrm{\Σh}}_i-0.5a}tan\mathrm{\φ}\]({\mathrm{Bh}}_{1}L\mathrm{\γ}+K_G{\mathrm{Bh}}_Z{\mathrm{L\γ}}_Z)---\left(12\right)$

在实际应用中，可以将公式(12)的岩石碎胀系数取K_p＝1.3；θ很小，可取θ＝0；取0.5；进一步地，由于铰接点处的挤压面厚度较小，可取0.5a＝0。则公式(12)可以简化为公式(4)。

在实际应用中，若考虑支护效率，则工作面支架的工作阻力还可以用下列公式(13)表示：

公式(13)中，μ为支架的支护效率，可取0.9。

综上所述，本发明实施例提供的一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法，根据大采高层工作面的特点，将大采高工作面从上至下依次区分为三层，并针对各个层的结构，提出了符合实践的“短悬臂梁-高位斜台阶岩梁”顶板结构模型，结合顶板结构模型，确定了大采高工作面支架额定承受载荷，上述方法，为大采高工作面的安全、经济、高效开采提供理论指导，解决现有技术中针对大采高层工作面支架额定工作阻力的设计方法，存在算法简单，误差大，导致增加开采成本的问题。

为了能够清楚说明本发明实施例提供的一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法，下面以下列以补连塔煤矿32206工作面为例，介绍本发明实施例提供的一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法。

以补连塔煤矿32206工作面为例，验证本发明实施例提供的支架额定承受载荷确定方法的可行性。

该工作面老顶关键层厚度h₁＝14.5m，基岩平均容重γ＝25kN/m³，载荷层平均容重γ_z＝25kN/m³，工作面平均周期来压步距即关键块长度L＝15.2m，载荷层厚度h_Z＝10.2m，等效直接顶层厚度∑h_i＝14.3m，等效直接顶层形成的“短悬臂梁”长度l＝6.7m，h₂＝12m，h₃＝2.3m，采高层厚度m＝5.5m，支架宽度B＝1.75m，支架控顶距l_k＝4.6m，岩层破断角β＝65°，下层等效直接顶层破断角α＝60°，根据现场实际情况取K_G＝0.45。

将以上参数代入公式(4)和公式(13)进行计算，可得工作面支架工作阻力：

P_支架＝10985kN/架

实际工作面选用支架的额定工作阻力为11000kN，工作面生产安全、经济，说明此方法可以用来确定支架的额定工作阻力，为支架的选型设计提供指导。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定装置，由于该装置解决技术问题的原理与一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

如图6所示，为本发明实施例提供的一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定装置结构示意图，该装置包括厚度确定单元601，参数确定单元602，划分单元603和确定单元604。

厚度确定单元601，用于根据大采高层工作面的支架与顶板相互作用的剖面，将所述大采高层工作面从上至下依次分为老顶关键层，等效直接顶层和采高层，并确认所述老顶关键层厚度，所述等效直接顶层厚度和所述采高层厚度；

参数确定单元602，用于根据所述老顶关键层的结构，在所述老顶关键层内划分第一关键块和第二关键块，依次确认所述第一关键块和所述第二关键块之间的接触点以及接触点厚度，获取所述第一关键块的长度，所述第一关键块在水平方向的回转角，所述第二关键块的长度，所述第二关键块在垂直方向的岩层破断角，以及所述第一关键块和所述第二关键块的端角摩擦系数；

划分单元603，用于根据所述等效直接顶层厚度，将所述等效直接顶层厚度从上至下分为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度和易垮落等效直接顶层厚度；

确定单元604，用于根据公式(1)确定所述老顶关键层中的第一关键块或者第二关键块对所述等效直接顶层的作用力，根据公式(2)确定所述等效直接顶层形成的“短悬臂梁”的自重，根据公式(3)确定所述易垮落等效直接顶层自重，根据公式(4)确定支架额定承受载荷；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

R₂≈Blh₂γ

公式(3)如下所示：

$R_3\≈B(l_k+\frac{1}{2}{h}_3\cot \mathrm{\α})h_3\mathrm{\γ}$

公式(4)如下所示：

$P_m=B({\mathrm{lh}}_2+l_k{h}_3+\frac{1}{2}{h_3}^2\cot \mathrm{\α})\mathrm{\γ}+\[1-\frac{h_1\cot \mathrm{\β}+\frac{L}{2}}{2(h_1-m+0.3{\mathrm{\Σh}}_i)}\]({\mathrm{Bh}}_{1}L\mathrm{\γ}+K_G{\mathrm{Bh}}_z{\mathrm{L\γ}}_z)$

在公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，R₁为所述第一关键块对等效直接顶层的作用力，R₂为等效直接顶层形成的“短悬臂梁”自重，R₃为易垮落等效直接顶层自重，P_m为支架承受的载荷，h₁为老顶关键层厚度，∑h_i为等效直接顶层厚度，h₂为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度，h₃为易垮落等效直接顶层厚度，h_z为载荷层厚度，m为采高层厚度，θ为第一关键块在水平方向的回转角，B为支架宽度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，L为第二关键块长度，γ为基岩平均容重，K_G(≤1)为载荷传递系数；γ_z为载荷层平均容重，为关键块端角摩擦系数，l为等效直接顶层“短悬臂梁”跨度，l_k为支架控顶距，α为易垮落等效直接顶层破断角，θ＝0。

优选地，所述确定单元604还用于：

根据所述老顶关键层的结构，确定第二关键块完全落在垮落矸石上，根据所述第二关键块和所述第一关键块之间的接触点，通过公式(5)，确定所述第二关键块的下沉量：

W＝m-(K_p-1)∑h_i

其中，K_p为岩石碎胀系数，∑h_i为等效直接顶层厚度，m为采高层厚度，W为所述第二关键块的下沉量；

通过公式(6)，确定所述第一关键块的水平挤压力：

$T=\frac{\frac{h_1}{\sin \mathrm{\β}}cos(\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})+\frac{L}{2}cos\mathrm{\θ}}{\frac{h_1}{sin\mathrm{\β}}\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})-W-0.5a}{P}_1$

其中，T为水平挤压力，h₁为老顶关键层厚度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，W为所述第二关键块的下沉量，L为第二关键块长度，；

P₁通过公式(7)确定：

P₁＝R_G+R_Z＝Bh₁Lγ+K_GBh_zLγ_z

其中，R_G为第一关键块重量，R_Z为载荷层传递的重量。

优选地，所述采高层和所述等效直接顶层之间具有如下关系：

∑h_i＝5.4m+4.5

其中，∑h_i为等效直接顶层厚度，m为采高层厚度。

优选地，所述确定单元还用于：

当考虑支护效率时，所述支架额定承受载荷通过下列公式确定：

其中，μ为支架的支护效率。

应当理解，以上一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定装置包括的单元仅为根据该设备装置实现的功能进行的逻辑划分，实际应用中，可以进行上述单元的叠加或拆分。并且该实施例提供的一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定装置所实现的功能与上述实施例提供的一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定方法一一对应，对于该装置所实现的更为详细的处理流程，在上述方法实施例一中已做详细描述，此处不再详细描述。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种确定煤矿大采高工作面支架额定承受载荷的方法，其特征在于，包括：

根据大采高层工作面的支架与顶板相互作用剖面，将所述大采高层工作面从上至下依次分为老顶关键层，等效直接顶层和采高层，并确认所述老顶关键层厚度，所述等效直接顶层厚度和所述采高层厚度；

根据所述老顶关键层的结构，在所述老顶关键层内划分第一关键块和第二关键块，依次确认所述第一关键块和所述第二关键块之间的接触点以及接触点高度，获取所述第一关键块的长度，所述第一关键块在水平方向的回转角，所述第二关键块的长度，所述第二关键块在垂直方向的岩层破断角，以及所述第一关键块和所述第二关键块的端角摩擦系数；

根据所述等效直接顶层厚度，将所述等效直接顶层厚度从上至下分为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度和易垮落等效直接顶层厚度；

根据公式(1)确定所述老顶关键层中的第一关键块或第二关键块对所述等效直接顶层的作用力，根据公式(2)确定所述等效直接顶层形成的“短悬臂梁”的自重，根据公式(3)确定所述易垮落等效直接顶层自重，根据公式(4)确定支架额定承受载荷；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

R₂≈Blh₂γ

公式(3)如下所示：

$R_3\≈B(l_k+\frac{1}{2}{h}_3\cot \mathrm{\α})h_3\mathrm{\γ}$

公式(4)如下所示：

$\begin{array}{c}{P}_m=R_1+R_2+R_3=B({\mathrm{lh}}_2+l_k{h}_3+\frac{1}{2}{h_3}^2\cot \mathrm{\α})\mathrm{\γ}+\\ \[1-\frac{h_1\cot \mathrm{\β}+\frac{L}{2}}{2(h_1-m+0.3{\mathrm{\Σh}}_i)}\]({\mathrm{Bh}}_{1}L\mathrm{\γ}+K_G{\mathrm{Bh}}_z{\mathrm{L\γ}}_z)\end{array}$

在公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，R₁为所述第一关键块对等效直接顶层的作用力，R₂为等效直接顶层形成的“短悬臂梁”自重，R₃为易垮落等效直接顶层自重，P_m为支架承受的载荷，h₁为老顶关键层厚度，∑h_i为等效直接顶层厚度，h₂为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度，h₃为易垮落等效直接顶层厚度，h_z为载荷层厚度，m为采高层厚度，θ为第一关键块在水平方向的回转角，B为支架宽度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，L为第二关键块长度，γ为基岩平均容重，K_G为载荷传递系数；γ_z为载荷层平均容重，为关键块端角摩擦系数，l为等效直接顶层“短悬臂梁”长度，l_k为支架控顶距，α为易垮落等效直接顶层破断角，θ＝0。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述老顶关键层的结构，确定所述第二关键块完全落在垮落矸石上，根据所述第二关键块和所述第一关键块之间的接触点，通过公式(5)，确定所述第二关键块的下沉量：

W＝m-(K_p-1)∑h_i

其中，K_p为岩石碎胀系数，∑h_i为等效直接顶层厚度，m为采高层厚度，W为所述第二关键块的下沉量；

通过公式(6)，确定所述第一关键块的水平挤压力：

$T=\frac{\frac{h_1}{\sin \mathrm{\β}}cos(\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})+\frac{L}{2}cos\mathrm{\θ}}{\frac{h_1}{\sin \mathrm{\β}}\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})-W-0.5a}{P}_1$

其中，T为水平挤压力，h₁为老顶关键层厚度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，W为所述第二关键块的下沉量，L为第二关键块长度；

P₁通过公式(7)确定：

P₁＝R_G+R_Z＝Bh₁Lγ+K_GBh_zLγ_z

其中，R_G为第一关键块重量，R_Z为载荷层传递的重量。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采高层和所述等效直接顶层之间具有如下关系：

∑h_i＝5.4m+4.5

其中，∑h_i为等效直接顶层厚度，m为采高层厚度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当考虑支护效率时，所述支架额定承受载荷通过下列公式确定：

其中，μ为支架的支护效率。

5.一种煤矿大采高工作面支架额定承受载荷确定装置，其特征在于，包括：

厚度确定单元，用于根据大采高层工作面的支架与顶板相互作用剖面，将所述大采高层工作面从上至下依次分为老顶关键层，等效直接顶层和采高层，并确定所述老顶关键层厚度，所述等效直接顶层厚度和所述采高层厚度；

参数确定单元，用于根据所述老顶关键层的结构，在所述老顶关键层内划分第一关键块和第二关键块，依次确认所述第一关键块和所述第二关键块之间的接触点以及接触点高度，获取所述第一关键块的长度，所述第一关键块在水平方向的回转角，所述第二关键块的长度，所述第二关键块在垂直方向的岩层破断角，以及所述第一关键块和所述第二关键块的端角摩擦系数；

划分单元，用于根据所述等效直接顶层厚度，将所述等效直接顶层厚度从上至下分为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度和易垮落等效直接顶层厚度；

确定单元，用于根据公式(1)确定所述老顶关键层中的第一关键块或第二关键块对所述等效直接顶层的作用力，根据公式(2)确定所述等效直接顶层形成的“短悬臂梁”的自重，根据公式(3)确定所述易垮落等效直接顶层自重，根据公式(4)确定支架额定承受载荷；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

R₂≈Blh₂γ

公式(3)如下所示：

$R_3\≈B(l_k+\frac{1}{2}{h}_3\cot \mathrm{\α})h_3\mathrm{\γ}$

公式(4)如下所示：

$\begin{array}{c}{P}_m=R_1+R_2+R_3=B({\mathrm{lh}}_2+l_k{h}_3+\frac{1}{2}{h_3}^2\cot \mathrm{\α})\mathrm{\γ}\\ +\[1-\frac{h_1\cot \mathrm{\β}+\frac{L}{2}}{2(h_1-m+0.3{\mathrm{\Σh}}_i)}\]({\mathrm{Bh}}_{1}L\mathrm{\γ}+K_G{\mathrm{Bh}}_z{\mathrm{L\γ}}_z)\end{array}$

在公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，R₁为所述第一关键块对等效直接顶层的作用力，R₂为等效直接顶层形成的“短悬臂梁”自重，R₃为易垮落等效直接顶层自重，P_m为支架承受的载荷，h₁为老顶关键层厚度，∑h_i为等效直接顶层厚度，h₂为等效直接顶层“短悬臂梁”厚度，h₃为易垮落等效直接顶层厚度，h_z为载荷层厚度，m为采高层厚度，θ为第一关键块在水平方向的回转角，B为支架宽度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，L为第二关键块长度，γ为基岩平均容重，K_G为载荷传递系数；γ_z为载荷层平均容重，为关键块端角摩擦系数，l为等效直接顶层“短悬臂梁”长度，l_k为支架控顶距，α为易垮落等效直接顶层破断角，θ＝0。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述确定单元还用于：

根据所述老顶关键层的结构，确定第二关键块完全落在垮落矸石，根据所述第二关键块和所述第一关键块之间的接触点，通过公式(5)，确定所述第二关键块的下沉量：

W＝m-(K_p-1)∑h_i

其中，K_p为岩石碎胀系数，∑h_i为等效直接顶层厚度，m为采高层厚度，W为所述第二关键块的下沉量；

通过公式(6)，确定所述第一关键块的水平挤压力：

$T=\frac{\frac{h_1}{\sin \mathrm{\β}}cos(\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})+\frac{L}{2}cos\mathrm{\θ}}{\frac{h_1}{\sin \mathrm{\β}}\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})-W-0.5a}{P}_1$

其中，T为水平挤压力，h₁为老顶关键层厚度，β为第二关键块在垂直方向的岩层破断角，a为接触面高度，W为所述第二关键块的下沉量，L为第二关键块长度，；

P₁通过公式(7)确定：

P₁＝R_G+R_Z＝Bh₁Lγ+K_GBh_zLγ_z

其中，R_G为第一关键块重量，R_Z为载荷层传递的重量。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述采高层和所述等效直接顶层之间具有如下关系：

∑h_i＝5.4m+4.5

其中，∑h_i为等效直接顶层厚度，m为采高层厚度。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述确定单元还用于：

当考虑支护效率时，所述支架额定承受载荷通过下列公式确定：

其中，μ为支架的支护效率。