CN106055868B - 一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法及装置，属于煤矿开采设备领域。解决液压支架载荷确定方法多针对单一煤层开采，未涉及急倾斜近距离煤层采空区下综采放顶煤支架载荷确定。包括：根据急倾斜煤层综采放顶煤工作面的走向，将煤层从上至下依次分为老顶垮落层，直接顶层，顶煤层和采高层；确定急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，直接顶层未充分垮落长度，工作面控顶距，老顶周期性垮落步距，液压支架宽度，老顶垮落层高度和急倾斜煤层倾角；根据顶煤层高度，采高层高度，急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度和直接顶层未充分垮落长度，液压支架宽度，老顶垮落层高度，老顶周期性垮落步距和急倾斜煤层倾角，确定液压支架载荷。

Description

一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法及装置

技术领域

本发明属于煤矿开采设备技术领域，更具体的涉及一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法及装置。

背景技术

我国倾角超过35°煤层的煤炭储量占17％，主要分布在我国西部。其中，倾角大于45°的急倾斜煤层储量约占60％。

在急倾斜走向长壁综采放顶煤工作面，由于倾角大，并且超过了冒落矸石的自然安息角，采空区冒落矸石会沿工作面倾斜向下滑滚，从而形成不同的充填特征。工作面下部填满、压实，工作面中部部分填满，工作面上部为空洞区。在工作面下部被矸石填满后，破碎的矸石对顶板形成支撑，限制和缓解了工作面倾斜方向下部顶板的下沉，顶板的位移量小，工作面下部的压力小；而工作面上部形成空洞，对顶板没有支撑，顶板的位移量大，工作面上部压力大。这是急倾斜煤层走向长壁综采放顶煤工作面矿压显现的显著特点。

而在近距离煤层采空区下开采时，由于对急倾斜煤层开采顶板充填规律的复杂性，其顶板来压规律不同于近水平或缓倾斜煤层，使得开采下煤层支架载荷的确定不同于单一煤层开采。

现有的液压支架载荷及工作阻力确定方法主要针对缓倾斜煤层，包括：传统的采高容重法、顶板形成结构的平衡关系估算法、数值模拟法、实测统计法、理论分析法。但是上述确定方法还存在以下问题：

1)采高容重法：适用于较小采高的工作面，但具体倍数不易确定，因此估算结果不准确；

2)岩石自重法：忽视了综采放顶煤工作面顶煤放出的影响；

3)实测统计法：得出的经验公式不具有普适性；

4)老顶结构估算法：主要针对缓倾斜和近水平煤层；

综上所述，现有的液压支架载荷确定方法多针对单一煤层开采，未涉及急倾斜近距离煤层采空区下综采放顶煤工作面的液压支架的载荷确定。

发明内容

本发明实施例提供了一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法及装置，可以针对急倾斜煤层采空区下近距离煤层的开采，提供液压支架载荷定量分析和计算，确定工作面支护参数。

本发明实施例提供一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法，包括：

根据急倾斜煤层综采放顶煤工作面的走向，将所述急倾斜煤层从上至下依次分为老顶垮落层、直接顶层、顶煤层和采高层，并确认所述顶煤层高度和所述采高层高度；根据所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面，确定所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度、所述直接顶层未充分垮落长度、工作面控顶距、液压支架宽度、老顶垮落层高度、老顶周期性垮落步距和急倾斜煤层倾角；

根据所述顶煤层高度、所述采高层高度、所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度和所述直接顶层未充分垮落长度，采用公式(1)确定所述直接顶层高度；

根据所述顶煤层高度、所述直接顶层高度、所述工作面控顶距和所述液压支架宽度，采用公式(2)确定所述直接顶层及所述顶煤层重量；

根据所述老顶垮落层高度、所述老顶周期性垮落步距、所述液压支架宽度和所述急倾斜煤层倾角，采用公式(3)确定上煤层开采后老顶垮落层作用力；

根据所述上煤层开采后老顶垮落层作用力和所述直接顶层及所述顶煤层重量，采用公式(4)确定液压支架载荷；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

W＝K(M₂γ+M_zγ_z)Bl_c

公式(3)如下所示：

P_c＝(Y+L_Z)BL_Zγ_Ecosα

公式(4)如下所示：

P_T＝W+P_c＝K(M₂γ+M_Zγ_Z)Bl_c+(Y+L_z)BL_Zγ_Ecosα

在公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，M_Z为直接顶层高度，M₁为采高层高度，M₂为顶煤层高度，η为煤炭回采率，K₁为矸石碎胀系数，K₂为煤体碎胀系数，S_A为老顶触矸处沉降量，L为急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，L₁为直接顶层未充分垮落长度，W为顶煤层和直接顶层重量，K为顶煤层和直接顶层冒落动载系数，γ为煤层容重，γ_Z为直接顶层岩层容重，B为液压支架宽度，l_c为工作面控顶距，Y为老顶垮落层高度，L_Z为老顶周期性垮落步距，γ_E为老顶垮落层容重，α为急倾斜煤层倾角，P_c为上煤层开采后老顶垮落层作用力，P_T为液压支架载荷。

本发明实施例还提供一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的装置，包括：

参数确定单元，用于根据急倾斜煤层综采放顶煤工作面的走向，将所述急倾斜煤层从上至下依次分为老顶垮落层、直接顶层、顶煤层和采高层，并确认所述顶煤层高度和所述采高层高度；根据所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面，确定所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度、所述直接顶层未充分垮落长度、工作面控顶距、液压支架宽度、老顶垮落层高度、老顶周期性垮落步距和急倾斜煤层倾角；

第一确定单元，用于根据所述顶煤层高度、所述采高层高度、所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度和所述直接顶层未充分垮落长度，采用公式(1)确定所述直接顶层高度；

第二确定单元，用于根据所述顶煤层高度、所述直接顶层高度、所述工作面控顶距和所述液压支架宽度，采用公式(2)确定所述直接顶层及所述顶煤层重量；

第三确定单元，用于根据所述老顶垮落层高度、老顶周期性垮落步距、所述液压支架宽度和所述急倾斜煤层倾角，采用公式(3)确定上煤层开采后老顶垮落层作用力；

第四确定单元，用于根据所述上煤层开采后老顶垮落层作用力和所述直接顶层及所述顶煤层重量，采用公式(4)确定液压支架载荷；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

W＝K(M₂γ+M_zγ_z)Bl_c

公式(3)如下所示：

P_c＝(Y+L_Z)BL_Zγ_Ecosα

公式(4)如下所示：

P_T＝W+P_c＝K(M₂γ+M_Zγ_Z)Bl_c+(Y+L_z)BL_Zγ_Ecosα

在公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，M_Z为直接顶层高度，M₁为采高层高度，M₂为顶煤层高度，η为煤炭回采率，K₁为矸石碎胀系数，K₂为煤体碎胀系数，S_A为老顶触矸处沉降量，L为急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，L₁为直接顶层未充分垮落长度，W为顶煤层和直接顶层重量，K为顶煤层和直接顶层冒落动载系数，γ为煤层容重，γ_Z为直接顶层岩层容重，B为液压支架宽度，l_c为工作面控顶距，Y为老顶垮落层高度，L_Z为老顶周期性垮落步距，γ_E为老顶垮落层容重，α为急倾斜煤层倾角，P_c为上煤层开采后老顶垮落层作用力，P_T为液压支架载荷。

本发明实施例中，提供一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法及装置，包括：根据急倾斜煤层综采放顶煤工作面的走向，将所述急倾斜煤层从上至下依次分为老顶垮落层，直接顶层，顶煤层和采高层，并确认所述顶煤层高度和所述采高层高度；根据所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面，确定所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，所述直接顶层未充分垮落长度，工作面控顶距，老顶周期性垮落步距，液压支架宽度，老顶垮落层高度，老顶周期性垮落步距和急倾斜煤层倾角；根据所述顶煤层高度，所述采高层高度，所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度和所述直接顶层未充分垮落长度，采用公式

确定所述直接顶层高度；根据所述直接顶层高度，所述工作面控顶距和所述液压支架宽度，采用公式W＝K(M₂γ+M_zγ_z)Bl_c确定所述直接顶层及所述顶煤层重量；根据所述老顶垮落层高度，所述老顶周期性垮落步距，所述液压支架宽度和所述急倾斜煤层倾角，采用公式P_c＝(Y+L_Z)BL_Zγ_Ecosα确定上煤层开采后老顶垮落层作用力；根据所述上煤层开采后老顶垮落层作用力和所述直接顶层及所述顶煤层重量，采用公式P_T＝W+P_c＝K(M₂γ+M_Zγ_Z)Bl_c+(Y+L_z)BL_Zγ_Ecosα确定液压支架载荷；其中，上述公式中M_Z为直接顶层高度，M₁为采高层高度，M₂为顶煤层高度，η为煤炭回采率，K₁为矸石碎胀系数，K₂为煤体碎胀系数，S_A为老顶触矸处沉降量，L为急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，L₁为直接顶层未充分垮落长度，W为顶煤层和直接顶层重量，K为顶煤层和直接顶层冒落动载系数，γ为煤层容重，γ_Z为直接顶层岩层容重，B为液压支架宽度，l_c为工作面控顶距，Y为老顶垮落层高度，L_Z为老顶周期性垮落步距，γ_E为老顶垮落层容重，α为急倾斜煤层倾角。上述方法中，根据急倾斜煤层近距离煤层采空区下开采时的覆岩垮落规律，建立急倾斜煤层群综采放顶煤工作面支架载荷力学模型，通过建立的模型，分析了支架的稳定性，确定了工作面液压支架保护参数。

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确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法流程示意图；

图2A为本发明实施例提供的急倾斜煤层开采的覆岩垮落特征示意图；

图2B为本发明实施例提供的急倾斜煤层综采放顶煤工作面倾向顶板结构力学模型示意图；

图3为本发明实施例提供的急倾斜煤层开采的覆岩垮落后工作面支架载荷分布结构示意图；

图4为本发明实施例提供的液压支架稳定性力学模型示意图；

图5为本发明实施例提供的综采放顶煤工作面走向顶板结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的装置结构示意图。

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为本发明实施例提供的一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法流程示意图。该方法至少可以应用在煤矿开采工程中。

如图1所示，本发明实施例提供的一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法，具体包括下列步骤：

步骤101，根据急倾斜煤层综采放顶煤工作面的走向，将所述急倾斜煤层从上至下依次分为老顶垮落层、直接顶层、顶煤层和采高层，并确认所述顶煤层高度和所述采高层高度；根据所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面，确定所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度、所述直接顶层未充分垮落长度、工作面控顶距、液压支架宽度、老顶垮落层高度、老顶周期性垮落步距和急倾斜煤层倾角；

步骤102，根据所述顶煤层高度、所述采高层高度、所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度和所述直接顶层未充分垮落长度，采用公式(1)确定所述直接顶层高度；

步骤103，根据所述顶煤层高度、所述直接顶层高度、所述工作面控顶距和所述液压支架宽度，采用公式(2)确定所述直接顶层及所述顶煤层重量；

步骤104，根据所述老顶垮落层高度、所述老顶周期性垮落步距、所述液压支架宽度和所述急倾斜煤层倾角，采用公式(3)确定上煤层开采后老顶垮落层作用力；

步骤105，根据所述上煤层开采后老顶垮落层作用力和所述直接顶层及所述顶煤层重量，采用公式(4)确定液压支架载荷；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

W＝K(M₂γ+M_zγ_z)Bl_c

公式(3)如下所示：

P_c＝(Y+L_Z)BL_Zγ_Ecosα

公式(4)如下所示：

P_T＝W+P_c＝K(M₂γ+M_Zγ_Z)Bl_c+(Y+L_z)BL_Zγ_Ecosα

在公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，M_Z为直接顶层高度，M₁为采高层高度，M₂为顶煤层高度，η为煤炭回采率，K₁为矸石碎胀系数，K₂为煤体碎胀系数，S_A为老顶触矸处沉降量，L为急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，L₁为直接顶层未充分垮落长度，W为顶煤层和直接顶层重量，K为顶煤层和直接顶层冒落动载系数，γ为煤层容重，γ_Z为直接顶层岩层容重，B为液压支架宽度，l_c为工作面控顶距，Y为老顶垮落层高度，L_Z为老顶周期性垮落步距，γ_E为老顶垮落层容重，α为急倾斜煤层倾角，P_c为上煤层开采后老顶垮落层作用力，P_T为液压支架载荷。

在对本发明实施例提供的一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法之前，先对急倾斜煤层综采放顶煤工作面的特点和设置在急倾斜煤层综采放顶煤工作面的支架特点进行说明。

图2A为本发明实施例提供的急倾斜煤层开采的覆岩垮落特征示意图；图2B为本发明实施例提供的急倾斜煤层开采的覆岩垮落后形成的结构示意图。

在图2A中，老顶垮落层沿倾向形成Q₁、Q₂、Q₃三个铰接岩块。其中，位于中上部的Q₂岩块上的垮落岩层厚度最大，载荷也最大；位于两端的Q₁和Q₃岩块上的垮落岩层厚度相对比较小，载荷不大。即，由于急倾斜煤层综采放顶煤工作面顶板垮落高度沿工作面倾向的分布不同，导致设置在急倾斜煤层综采放顶煤工作面下的液压支架载荷分布总体呈现中上部大，两端小的分布形态。因此，在老顶垮落层载荷计算中，为了保障工作面支护的安全，按照中上部的老顶垮落层最大载荷状态进行计算，即，取Q₂岩块的受力条件进行计算。根据物理模拟实验测定，老顶垮落层Q₂岩块上的垮落岩层厚度基本为1倍的老顶周期来压步距，由此得出上煤层开采后老顶垮落层作用力计算公式：

P_c＝(Y+L_Z)BL_Zγ_Ecosα (3)

在公式(3)中，P_c为上煤层开采后老顶垮落层作用力，Y为老顶垮落层高度，L_Z为老顶周期性垮落步距，γ_E为老顶垮落层容重，α为急倾斜煤层倾角。

图3为本发明实施例提供的急倾斜煤层开采的覆岩垮落后工作面支架载荷分布结构示意图。其中，图3所示的液压支架结构力学模型与图2所示的急倾斜煤层综采放顶煤工作面下的液压支架载荷分布总体呈现中上部大，两端小的分布形态相对应。

如图3所示，图中横坐标表示急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度120m，0m表示工作面下端头，120m表示工作面上端头。工作面下部0m-.45m范围和工作面上部95m-120m范围内架载荷小于180t，工作面中上部50m-80m范围支架载荷明显增大，达到275t/架以上，液压支架载荷分布总体呈现中上部大，两端小的分布形态。

进一步地，可以对急倾斜煤层综采放顶煤工作面支架的受力进行分解，具体地，将急倾斜煤层综采放顶煤工作面支架受力可分解为垂直支架顶梁的法向分力和沿急倾斜煤层倾角的倾向分力。图4为本发明实施例提供的液压支架稳定性力学模型示意图。如图4所示，急倾斜煤层的倾角为α°，液压支架的宽度为B，液压支架的高度为H，G表示液压支架的自重，Q表示液压支架的支撑力，P表示来自顶板的压力，P_S表示上临架挤靠力，P_X表示下临架挤靠力，c表示液压支架重心高度，急倾斜煤层综采放顶煤工作面支架受力分解为垂直支架顶梁的法向分力y和沿急倾斜煤层倾角的倾向分力x。

在实际应用中，法向分力y来源于顶底板对支架的挤压，提供了支架与顶底板的摩擦阻力，有利于支架的稳定。倾向分力x推动支架沿煤层向下滑动和翻倒，不利于支架稳定。随着工作面倾角α的增大，法向分力y减小，倾向分力x增大，支架的稳定性降低。在急倾斜煤层综采放顶煤工作面，由于支架自重、顶板压力、初撑力、底板反力以及相邻支架间的挤压力等力的作用下处于平衡状态。急倾斜煤层综采放顶煤工作面支架重心已位于支架下边缘外侧，倾斜顶板压力也作用在支架下边缘外侧。

在工作面下部区域，上部区域顶板岩层垮落并向下滑移充填，支架受中、上部支架重力及顶底板压力影响，有沿倾斜方向下滑的趋势，支架与顶底板岩层间摩擦力方向沿层面向上。根据力的平衡条件，选支架质心O为作用点，支架倾向受力(x轴方向)可以用公式(5)表示：

F_x＝(G+P)sinα+(P_S-P_X)-(Q+Pcosα)f₁-[Q+(G+P)cosα]f₂ (5)

在公式(5)中，G为支架的自重，单位为：kN；Q为支架的支撑力，单位为：kN；P为顶板压力，单位为：kN；P_S为上临架挤靠力，单位为：kN；P_X为下临架挤靠力，单位为：kN；f₁、f₂为支架与顶煤层和底板岩层之间的摩擦系数；α为急倾斜煤层倾角，单位为：°。

当工作面下部区域支架载荷P较小，沿x轴方向支架受力F_x易大于零，支架易出下滑失稳。

进一步地，对液压支架倾倒力的具体分析：急倾斜工作面，对于单个支架的受力而言，主要为自重和顶板压力，当急倾斜煤层倾角大于一定角度时，支架重心位于支架底座的外侧，支架自身会发生向下倾倒力；顶板的向下运动也会导致顶板压力的合力超出支架下边缘，导致支架倾倒趋势。

急倾斜煤层综采放顶煤工作面的中上部区域压力最大，顶板活动也最剧烈，支架最容易失稳，是工作面支护控制的对象。该区域顶板岩层垮落向下滑移量大于支架向下滑移量，支架相对顶板岩层向上运动，支架受顶板岩层摩擦力方向沿层面向下，支架与底板岩层间摩擦力沿层面向上，对支架底座与底板接触点取力矩M，可以用公式(6)表示：

根据几何关系，液压支架受力重心外偏量可以用公式(7)表示：

其中，公式(6)和公式(7)中，c为支架重心高度，单位为：m；B为液压支架宽度，单位为：m；H为支架高度，单位为：m。

从公式(7)中可以确定，当支架底座越宽、支架重心越低、支架使用高度越低，支架越稳定，适应的倾角与来压强度也将越大。由于急倾斜工作面中上部区M较大，支架易发生侧翻失稳。

根据实际应用表明，在不加防倒、防滑装置时，急倾斜煤层中单个支架不能满足稳定性要求，单个支架会发生倾倒，为提高支架的整体稳定性，将支架2个1组设置水平横拉架防倒、防滑千斤顶连接，顶梁上安装一组，底座上前后各安装一组，这样就使支架重心往两支架的中心移动，可以保证重力作用线不偏出O点外侧，以适应更大的急倾斜煤层倾角。

图5为本发明实施例提供的的综采放顶煤工作面走向顶板结构示意图，表示综采放顶煤工作面走向剖面结构，工作面自上而下划分为将所述急倾斜煤层从上至下依次分为老顶，垮落高度Y；直接顶层，高度M_z；顶煤层，高度M₁；采高层，高度M₂，S_A为老顶触矸处沉降量，l_c为工作面控顶距。

下列详细介绍本发明实施例提供的一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法，在步骤101中，根据急倾斜煤层综放工作面走向剖面，将急倾斜煤层从上至下依次分为老顶垮落层，直接顶层，顶煤层和采高层，并依此确定顶煤层和采高层的高度，进一步地，可以根据急倾斜煤层综采放顶煤工作面设计和顶板垮落规律实验，确定急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，直接顶层未充分垮落长度，工作面控顶距，液压支架宽度，老顶垮落层高度和急倾斜煤层倾角。

需要说明的是，本发明实施例中，需要确认的顶煤层高度，采高层高度，急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，直接顶层未充分垮落长度，工作面控顶距，液压支架宽度，老顶垮落层高度，老顶周期性垮落步距，老顶触矸处沉降量和急倾斜煤层倾角，都可以通过实际测量或实验的方法获取。在本发明实施例中，对获取上述参数的具体方法不做限定。

在步骤102中，根据所述顶煤层高度，所述采高层高度，所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度和所述直接顶层未充分垮落长度，可以通过公式(1)确定所述直接顶层高度。

其中，公式(1)如下所示：

在公式(1)中，M_Z为直接顶层高度，单位为：m；M₁为采高，单位为：m；M₂为放顶煤高度，单位为：m；η为煤炭回采率，单位为：％；K₁为矸石碎胀系数；K₂为煤体碎胀系数；L为急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，单位为：m；L₁为直接顶层未充分垮落长度，单位为：m；S_A为老顶触矸处沉降量，单位为：m。

需要说明的是，根据现场实测和工程经验，急倾斜煤层群工作面直接顶层厚度在不同开采阶段具有一定的变化。当采空区被煤和矸石完全充填后，直接顶层的厚度变化才趋于稳定，即，当工作面上部采空区不被矸石充满时，需要考虑到回采率影响。

在步骤103中，在实际应用中，急倾斜煤层群中近距离煤层采空区下回采时，液压支架的受力来自于顶煤层、直接顶层的重量和老顶垮落层的作用力。计算支架载荷时，以工作面中上部支架最大载荷进行计算。此时，支架载荷为顶煤层、直接顶层重量和上煤层开采后老顶垮落层的作用力P_c的总和。在本步骤中，可根据直接顶层高度，工作面控顶距和液压支架宽度，采用公式(2)确定直接顶层及顶煤层重量，其中，公式(2)如下所示：

W＝K(M₂γ+M_zγ_z)Bl_c (2)

公式(2)中，W为顶煤层和直接顶层重量，单位为：kN；K为顶煤层和直接顶层冒落动载系数，取1.3；M₂为放煤高度，单位为：m；γ为煤容重，单位为：kN/m³；M_Z为直接顶层高度，单位为：m；γ_Z为直接顶层容重，单位为：kN/m³；l_c为工作面控顶距，单位为：m；B为液压支架宽度，单位为：m。

在步骤104中，由物理模拟可得，对于近距离煤层，上煤层开采后，下分层煤层老顶在上分层煤层垮落顶板的压力下及时垮落，形成老顶垮落层。老顶垮落层破断充分，老顶周期性垮落步距较短，来压动载系数一般小于1.3，可按照1.3取值。考虑来压时的最危险状态，针对近距离煤层采空区下开采的特点，老顶的压力主要是上煤层开采后老顶垮落层作用力。老顶垮落层的载荷主要由老顶垮落层铰接结构的自重和上煤层垮落顶板载荷构成。老顶垮落层结构结构自重主要是工作面上方的老顶周期性垮岩块岩块自重，其长度为老顶周期性垮落步距L_Z，厚度为老顶垮落层厚度Y。上煤层垮落顶板载荷符合散块体介质载荷传递规律，根据模拟实验确定为1倍老顶周期性垮落步距高度的岩柱重量。

即，根据老顶垮落层高度，老顶周期性垮落步距，液压支架宽度和急倾斜煤层倾角，采用公式(3)确定上煤层开采后老顶垮落层作用力，其中公式(3)如下所示：

P_c＝(Y+L_Z)BL_Zγ_Ecosα (3)

在公式(3)中，Y为老顶垮落层高度，单位为：m；γ_E为老顶垮落层容重，单位为：kN/m³；α为急倾斜煤层倾角，单位为：°；B为液压支架宽度，单位为：m，L_Z为老顶周期性垮落步距，单位为：m。

在步骤105中，根据上煤层开采后老顶垮落层作用力和直接顶层及顶煤层重量，采用公式(4)确定液压支架载荷，其中公式(4)如下所示：

P_T＝W+P_c＝K(M₂γ+M_Zγ_Z)Bl_c+(Y+L_z)BL_Zγ_Ecosα (4)

公式(4)中，K为顶煤层和直接顶层冒落动载系数，取1.3；M₂为放煤高度，单位为：m；γ为煤容重，单位为：kN/m³；M_Z为直接顶层高度，单位为：m；γ_Z为直接顶层容重，单位为：kN/m³；Y为老顶垮落层高度，单位为：m；γ_E为老顶垮落层容重，单位为：kN/m³；α为急倾斜煤层倾角，单位为：°；L_Z为老顶周期性垮落步距，单位为：m；l_c为工作面控顶距，单位为：m；B为液压支架宽度，单位为：m。

本发明实施例中，提供一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法及装置，包括：根据急倾斜煤层综采放顶煤工作面的走向，将所述急倾斜煤层从上至下依次分为老顶垮落层，直接顶层，顶煤层和采高层，并确认所述顶煤层高度和所述采高层高度；根据所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面，确定所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，所述直接顶层未充分垮落长度，工作面控顶距，老顶周期性垮落步距，液压支架宽度，老顶垮落层高度，老顶周期性垮落步距和急倾斜煤层倾角；根据所述顶煤层高度，所述采高层高度，所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度和所述直接顶层未充分垮落长度，采用公式

确定所述直接顶层高度；根据所述直接顶层高度，所述工作面控顶距和所述液压支架宽度，采用公式W＝K(M₂γ+M_zγ_z)Bl_c确定所述直接顶层及所述顶煤层重量；根据所述老顶垮落层高度，所述老顶周期性垮落步距，所述液压支架宽度和所述急倾斜煤层倾角，采用公式P_c＝(Y+L_Z)BL_Zγ_Ecosα确定上煤层开采后老顶垮落层作用力；根据所述上煤层开采后老顶垮落层作用力和所述直接顶层及所述顶煤层重量，采用公式P_T＝W+P_c＝K(M₂γ+M_Zγ_Z)Bl_c+(Y+L_z)BL_Zγ_Ecosα确定液压支架载荷；其中，上述公式中，M_Z为直接顶层高度，M₁为采高层高度，M₂为顶煤层高度，η为煤炭回采率，K₁为矸石碎胀系数，K₂为煤体碎胀系数，S_A为老顶触矸处沉降量，L为急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，L₁为直接顶层未充分垮落长度，W为顶煤层和直接顶层重量，K为顶煤层和直接顶层冒落动载系数，γ为煤层容重，γ_Z为直接顶层岩层容重，B为液压支架宽度，l_c为工作面控顶距，Y为老顶垮落层高度，L_Z为老顶周期性垮落步距，γ_E为老顶垮落层容重，α为急倾斜煤层倾角。上述方法中，根据急倾斜煤层近距离煤层采空区下开采时的覆岩垮落规律，建立急倾斜煤层群综采放顶煤工作面支架载荷力学模型，通过建立的模型，分析了支架的稳定性，确定了工作面液压支架保护参数。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的装置，由于该装置解决技术问题的原理与一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法相似，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。

图6为本发明实施例还提供一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的装置结构示意图。如图6所示，该装置包括：参数确定单元601，第一确定单元602，第二确定单元603，第三确定单元604和第三确定单元605。

参数确定单元601，用于根据急倾斜煤层综采放顶煤工作面的走向，将所述急倾斜煤层从上至下依次分为老顶垮落层、直接顶层、顶煤层和采高层，并确认所述顶煤层高度和所述采高层高度；根据所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面，确定所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度、所述直接顶层未充分垮落长度、工作面控顶距、液压支架宽度、老顶垮落层高度、老顶周期性垮落步距和急倾斜煤层倾角；

第一确定单元602，用于根据所述顶煤层高度、所述采高层高度、所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度和所述直接顶层未充分垮落长度，采用公式(1)确定所述直接顶层高度；

第二确定单元603，用于根据所述顶煤层高度、所述直接顶层高度、所述工作面控顶距和所述液压支架宽度，采用公式(2)确定所述直接顶层及所述顶煤层重量；

第三确定单元604，用于根据所述老顶垮落层高度、所述老顶周期性垮落步距、所述液压支架宽度和所述急倾斜煤层倾角，采用公式(3)确定上煤层开采后老顶垮落层作用力；

第四确定单元605，用于根据所述上煤层开采后老顶垮落层作用力和所述直接顶层及所述顶煤层重量，采用公式(4)确定液压支架载荷；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

W＝K(M₂γ+M_zγ_z)Bl_c

公式(3)如下所示：

P_c＝(Y+L_Z)BL_Zγ_Ecosα

公式(4)如下所示：

P_T＝W+P_c＝K(M₂γ+M_Zγ_Z)Bl_c+(Y+L_z)BL_Zγ_Ecosα

在公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，M_Z为直接顶层高度，M₁为采高层高度，M₂为顶煤层高度，η为煤炭回采率，K₁为矸石碎胀系数，K₂为煤体碎胀系数，S_A为老顶触矸处沉降量，L为急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，L₁为直接顶层未充分垮落长度，W为顶煤层和直接顶层重量，K为顶煤层和直接顶层冒落动载系数，γ为煤层容重，γ_Z为直接顶层岩层容重，B为液压支架宽度，l_c为工作面控顶距，Y为老顶垮落层高度，L_Z为老顶周期性垮落步距，γ_E为老顶垮落层容重，α为急倾斜煤层倾角，P_c为上煤层开采后老顶垮落层作用力，P_T为液压支架载荷。

应当理解，以上一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的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确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的装置所实现的功能与上述实施例提供的一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法一一对应，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 (2)

1.一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的方法，其特征在于，包括：

根据急倾斜煤层综采放顶煤工作面的走向，将所述急倾斜煤层从上至下依次分为老顶垮落层、直接顶层、顶煤层和采高层，并确认所述顶煤层高度和所述采高层高度；根据所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面，确定所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度、所述直接顶层未充分垮落长度、工作面控顶距、液压支架宽度、老顶垮落层高度、老顶周期性垮落步距和急倾斜煤层倾角；

根据所述顶煤层高度、所述采高层高度、所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度和所述直接顶层未充分垮落长度，采用公式(1)确定所述直接顶层高度；

根据所述顶煤层高度、所述直接顶层高度、所述工作面控顶距和所述液压支架宽度，采用公式(2)确定所述直接顶层及所述顶煤层重量；

根据所述老顶垮落层高度、所述急倾斜煤层倾角、所述液压支架宽度和所述老顶周期性垮落步距，采用公式(3)确定上煤层开采后老顶垮落层作用力；

根据所述上煤层开采后老顶垮落层作用力和所述直接顶层及所述顶煤层重量，采用公式(4)确定液压支架载荷；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

W＝K(M₂γ+M_zγ_z)Bl_c

公式(3)如下所示：

P_c＝(Y+L_Z)BL_Zγ_Ecosα

公式(4)如下所示：

P_T＝W+P_c＝K(M₂γ+M_Zγ_Z)Bl_c+(Y+L_z)BL_Zγ_Ecosα

在公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，M_Z为直接顶层高度，M₁为采高层高度，M₂为顶煤层高度，η为煤炭回采率，K₁为矸石碎胀系数，K₂为煤体碎胀系数，S_A为老顶触矸处沉降量，L为急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，L₁为直接顶层未充分垮落长度，W为顶煤层和直接顶层重量，K为顶煤层和直接顶层冒落动载系数，γ为煤层容重，γ_Z为直接顶层岩层容重，B为液压支架宽度，l_c为工作面控顶距，Y为老顶垮落层高度，L_Z为老顶周期性垮落步距，γ_E为老顶垮落层容重，α为急倾斜煤层倾角，P_c为上煤层开采后老顶垮落层作用力，P_T为液压支架载荷。

2.一种确定急倾斜煤层综放工作面支架载荷的装置，其特征在于，包括：

参数确定单元，用于根据急倾斜煤层综采放顶煤工作面的走向，将所述急倾斜煤层从上至下依次分为老顶垮落层、直接顶层、顶煤层和采高层，并确认所述顶煤层高度和所述采高层高度；根据所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面，确定所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度、所述直接顶层未充分垮落长度、工作面控顶距、液压支架宽度、老顶垮落层高度、老顶周期性垮落步距和急倾斜煤层倾角；

第一确定单元，用于根据所述顶煤层高度、所述采高层高度、所述急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度和所述直接顶层未充分垮落长度，采用公式(1)确定所述直接顶层高度；

第二确定单元，用于根据所述顶煤层高度、所述直接顶层高度、所述工作面控顶距和所述液压支架宽度，采用公式(2)确定所述直接顶层及所述顶煤层重量；

第三确定单元，用于根据所述老顶垮落层高度、所述老顶周期性垮落步距、所述液压支架宽度和所述急倾斜煤层倾角，采用公式(3)确定上煤层开采后老顶垮落层作用力；

第四确定单元，用于根据所述上煤层开采后老顶垮落层作用力和所述直接顶层及所述顶煤层重量，采用公式(4)确定液压支架载荷；

其中，公式(1)如下所示：

公式(2)如下所示：

W＝K(M₂γ+M_zγ_z)Bl_c

公式(3)如下所示：

P_c＝(Y+L_Z)BL_Zγ_Ecosα

公式(4)如下所示：

P_T＝W+P_c＝K(M₂γ+M_Zγ_Z)Bl_c+(Y+L_z)BL_Zγ_Ecosα

在公式(1)，公式(2)，公式(3)和公式(4)中，M_Z为直接顶层高度，M₁为采高层高度，M₂为顶煤层高度，η为煤炭回采率，K₁为矸石碎胀系数，K₂为煤体碎胀系数，S_A为老顶触矸处沉降量，L为急倾斜煤层综采放顶煤工作面长度，L₁为直接顶层未充分垮落长度，W为顶煤层和直接顶层重量，K为顶煤层和直接顶层冒落动载系数，γ为煤层容重，γ_Z为直接顶层岩层容重，B为液压支架宽度，l_c为工作面控顶距，Y为老顶垮落层高度，L_Z为老顶周期性垮落步距，γ_E为老顶垮落层容重，α为急倾斜煤层倾角，P_c为上煤层开采后老顶垮落层作用力，P_T为液压支架载荷。