CN106339546B - 一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法及装置 - Google Patents
一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法及装置，属于煤矿开采设备技术领域。解决极近距离下煤层工作面的液压支架载荷确定的方法缺少理论指导的问题。包括：将极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板分为砌体梁层，冒落层和直接顶层；将冒落层沿着开采推进方向分为自由冒落区和斜柱条梁区；通过公式确定所述砌体梁块的回转角；通过公式确定直接顶对斜柱条梁的均布载荷；通过公式P1＝W+qL0确定支架的支护阻力；通过公式P＝b(PG+Q)确定砌体梁层及砌体梁层上岩层的载荷；通过公式确定所述工作面支架载荷。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采设备技术领域，更具体的涉及一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法及装置。
背景技术
煤层群在我国范围内广泛分布，如神东矿区、宁东矿区、大同矿区、平顶山矿区、新汶矿区、淮南矿区和贵州水城矿区等。自上世纪九十年代，煤层群开采逐渐进入人们的视野。究其原因主要有三点：①近距离煤层储量丰富，有广阔的开采前景；②赋存条件优越的单一煤层开采殆尽，煤层群开采的问题日益增多；③采矿界目前对于煤层群开采的研究较少，理论成果有待丰富。
煤层间距是影响工作面矿压显现规律的重要因素，据此原则将煤层群分为三类：①极近距离煤层群；②近距离煤层群；③远距离煤层。当相邻煤层层间距离较大(远距离煤层)时，两层煤开采相互影响程度较小，其矿压显现规律和开采方法完全可以按照单一煤层进行处理。
我国西部的重要的亿吨级煤炭生产基地——神东矿区主要开采浅埋深近距离和极近距离煤层群。近年来，矿区最上部的单一浅埋煤层大部分已经开采，矿区开始全面进入浅埋煤层群的下部煤层开采阶段。浅埋煤层群开采的工作面支护问题日益增多，其中极近距离煤层的下煤层工作面处于上煤层采空区之下，开采的问题尤为突出且成果甚少。支架载荷的确定应该与顶板结构紧密结合，确保足够的支护阻力来维护顶板的稳定性。目前，浅埋煤层开采支架载荷确定的方法有：采高容重估算法，威尔逊估算法，“台阶岩梁”法和工程类比法。上述各个确定方法中，没有涉及极近距离上煤层采空区破碎顶板的力学效应分析。因此，目前缺乏极近距离煤层的下煤层工作面液压支架载荷确定方法。
发明内容
本发明实施例提供一种开采极近距离下煤层工作面支架载荷的确定方法及装置，用以解决现有技术中没有对上煤层采空区破碎顶板的力学效应进行分析，导致极近距离下煤层工作面的液压支架载荷确定的方法缺少理论指导的问题。
本发明实施例提供一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法，包括：
根据极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板结构，将所述极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板从上至下依次分为砌体梁层，冒落层和直接顶层；将所述冒落层沿着开采推进方向依次分为自由冒落区和斜柱条梁区；
根据斜柱条梁与所述直接顶层之间的位置，确定所述斜柱条梁的倾角；根据砌体梁块结构，通过公式(1)确定所述砌体梁块的回转角；根据上煤层采高和顶板岩层碎胀系数确定所述斜柱条梁的高度；根据所述斜柱条梁在所述斜柱条梁区的分布情况，确定所述斜柱条梁的步距；
通过公式(2)确定直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷；根据所述直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷和所述斜柱条梁的步距，通过公式(3)确定支架的支护阻力；
根据所述支架宽度，卸荷拱内岩石的重量和关键块的载荷，通过公式(4)确定所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷；根据所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷，所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷和所述支架的支护阻力，通过公式(5)确定工作面支架载荷；
公式(1)如下所示：
公式(2)如下所示：
公式(3)如下所示：
P1＝W+qL0
公式(4)如下所示：
P＝b(PG+Q)
公式(5)如下所示：
其中，Kp为岩层的碎胀系数，m1为上煤层的采高，θ为所述砌体梁块的回转角，α为所述斜柱条梁的倾角，L0为所述斜柱条梁的步距，P1为所述支架的支护阻力，lk为支架的控顶距，PW为所述工作面支架载荷，P为所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷，W为所述直接顶载荷，q为直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，PG为关键块的载荷，Q为卸荷拱内岩石的重量，ρg为所述砌体梁块的体积力，ρzg为所述直接顶层的体积力，ρmg为所述斜柱条梁的体积力，b为所述支架的宽度，∑h'为所述直接顶的厚度，h为所述砌体梁块的厚度，f为岩石坚硬性系数，w1为砌体梁块的下沉量。
优选地，所述通过公式(2)确定所述直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷之前，还包括：
通过下列公式确定所述斜柱条梁的高度：
其中，H为所述斜柱条梁的高度；
通过下列公式确定所述斜柱条梁的重力：
其中，G为所述斜柱条梁的重力。
优选地，所述通过公式(3)确定支架的支护阻力之前，还包括：
通过下列公式确定所述直接顶载荷：
W＝blk∑h’ρzg
其中，lk为支架的控顶距。
优选地，通过下列公式确定所述卸荷拱内岩石的重量：
通过下列公式确定所述关键块的载荷：
PG＝2hL0ρg。
本发明实施例还提供一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定装置，包括：
分块单元，用于根据极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板结构，将所述极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板从上至下依次分为砌体梁层，冒落层和直接顶层；将所述冒落层沿着开采推进方向依次分为自由冒落区和斜柱条梁区；
第一确定单元，用于根据斜柱条梁与所述直接顶层之间的位置，确定所述斜柱条梁的倾角；根据砌体梁块结构，通过公式(1)确定所述砌体梁块的回转角；根据上煤层采高和顶板岩层碎胀系数确定所述斜柱条梁的高度；根据所述斜柱条梁在所述斜柱条梁区的分布情况，确定所述斜柱条梁的步距；
第二确定单元，用于通过公式(2)确定直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷；根据所述直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷和所述斜柱条梁的步距，通过公式(3)确定支架的支护阻力；
第三确定单元，用于根据所述支架宽度，卸荷拱内岩石的重量和关键块的载荷，通过公式(4)确定所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷；根据所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷，所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷和所述支架的支护阻力，通过公式(5)确定工作面支架载荷；
公式(1)如下所示：
公式(2)如下所示：
公式(3)如下所示：
P1＝W+qL0
公式(4)如下所示：
P＝b(PG+Q)
公式(5)如下所示：
其中，Kp为岩层的碎胀系数，m1为上煤层的采高，θ为所述砌体梁块的回转角，α为所述斜柱条梁的倾角，L0为所述斜柱条梁的步距，P1为所述支架的支护阻力，lk为支架的控顶距，PW为所述工作面支架载荷，P为所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷，W为所述直接顶载荷，q为直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，PG为关键块的载荷，Q为卸荷拱内岩石的重量，ρg为所述砌体梁块的体积力，ρzg为所述直接顶层的体积力，ρmg为所述斜柱条梁的体积力，b为所述支架的宽度，∑h‘为所述直接顶的厚度，h为所述砌体梁块的厚度，f为岩石坚硬性系数，w1为砌体梁块的下沉量。
优选地，所述第二确定单元还用于：通过下列公式确定所述斜柱条梁的高度：
其中，H为所述斜柱条梁的高度；
通过下列公式确定所述斜柱条梁的重力：
其中，G为所述斜柱条梁的重力。
优选地，所述第二确定单元还用于：
通过下列公式确定所述直接顶载荷：
W＝blk∑h’ρzg
其中，lk为支架的控顶距。
优选地，所述第三确定单元还用于：通过下列公式确定所述卸荷拱内岩石的重量：
通过下列公式确定所述关键块的载荷：
PG＝2hL0ρg。
本发明实施例中，提供了一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法及装置，包括：根据极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板结构，将所述极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板从上至下依次分为砌体梁层，冒落层和直接顶层；将所述冒落层沿着开采推进方向依次分为自由冒落区和斜柱条梁区；根据所述斜柱条梁与所述直接顶层之间的位置，确定所述斜柱条梁的倾角；根据砌体梁块结构，通过公式确定所述砌体梁块的回转角；根据上煤层采高和顶板岩层碎胀系数确定所述斜柱条梁的高度；根据斜柱条梁在所述斜柱条梁区的分布情况，确定所述斜柱条梁的步距；通过公式确定直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷；根据所述直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷和所述斜柱条梁的步距，通过公式P1＝W+qL0确定支架的支护阻力；根据所述支架宽度，卸荷拱内岩石的重量和关键块的载荷，通过公式P＝b(PG+Q)确定所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷；根据所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷，所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷和所述支架的支护阻力，通过公式确定工作面支架载荷；其中，Kp为岩层的碎胀系数，m1为上煤层的采高，θ为所述砌体梁块的回转角，α为所述斜柱条梁的倾角，L0为所述斜柱条梁的步距，P1为所述支架的支护阻力，lk为支架的控顶距，PW为所述工作面支架载荷，P为所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷，W为所述直接顶载荷，q为直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，PG为关键块的载荷，Q为卸荷拱内岩石的重量，ρg为所述砌体梁块的体积力，ρzg为所述直接顶层的体积力，ρmg为所述斜柱条梁的体积力，b为所述支架的宽度，∑h’为所述直接顶的厚度，h为所述砌体梁块的厚度，f为岩石坚硬性系数，w1为砌体梁块的下沉量。本发明实施例中，在确定工作面支架载荷时，考虑了浅埋极近距离煤层采空区下开采的顶板结构，且通过分析来判断支架受载的最大状态，通过建立力学模型进行解算，得出支架工作阻力的计算公式。和现有技术中确定支架载荷的确定方法，有更好的适用性、准确性和可靠性，为极近距离下煤层工作面液压支架载荷的确定提供了依据，对于实现矿井安全高效生产具有一定的理论意义及实践价值。
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极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的采空区破碎顶板静态分区结构示意图；
图3为本发明实施例提供的自由冒落区下推进顶板结构示意图；
图4为本发明实施例提供的斜柱条梁区顶板动态结构示意图；
图5为本发明实施例提供的顶板斜柱条梁支架载荷力学模型结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种极近距离煤层采空区下工作面支架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示例性示出本发明实施例提供的一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法流程示意图，该方法可以应用在煤矿开采领域。
如图1所述，本发明实施例提供的一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法，包括下列步骤：
步骤101，根据极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板结构，将所述极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板从上至下依次分为砌体梁层，冒落层和直接顶层；将所述冒落层沿着开采推进方向依次分为自由冒落区和斜柱条梁区；
步骤102，根据斜柱条梁与所述直接顶层之间的位置，确定所述斜柱条梁的倾角；根据砌体梁块结构，通过公式(1)确定所述砌体梁块的回转角；根据上煤层采高和顶板岩层碎胀系数确定所述斜柱条梁的高度；根据所述斜柱条梁在所述斜柱条梁区的分布情况，确定所述斜柱条梁的步距；
步骤103，通过公式(2)确定直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷；根据所述直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷和所述斜柱条梁的步距，通过公式(3)确定支架的支护阻力；
步骤104，根据所述支架宽度，卸荷拱内岩石的重量和关键块的载荷，通过公式(4)确定所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷；根据所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷，所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷和所述支架的支护阻力，通过公式(5)确定工作面支架载荷；
公式(1)如下所示：
公式(2)如下所示：
公式(3)如下所示：
P1＝W+qL0
公式(4)如下所示：
P＝b(PG+Q)
公式(5)如下所示：
其中，Kp为岩层的碎胀系数，m1为上煤层的采高，θ为所述砌体梁块的回转角，α为所述斜柱条梁的倾角，L0为所述斜柱条梁的步距，P1为所述支架的支护阻力，lk为支架的控顶距，PW为所述工作面支架载荷，P为所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷，W为所述直接顶载荷，q为直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，PG为关键块的载荷，Q为卸荷拱内岩石的重量，ρg为所述砌体梁块的体积力，ρzg为所述直接顶层的体积力，ρmg为所述斜柱条梁的体积力，b为所述支架的宽度，∑h'为所述直接顶的厚度，h为所述砌体梁块的厚度，f为岩石坚硬性系数，w1为砌体梁块的下沉量。
在对本发明实施例提供的一种开采极近距离下煤层工作面支架载荷的确定方法介绍之前，先介绍本发明实施例所涉及的几个术语以及术语的应用场景。
图2为本发明实施例提供的采空区破碎顶板静态分区结构示意图。在本发明实施例中，根据两种不同的状态，将采空区破碎顶板分为自由冒落区和斜柱条梁区。
具体地，以神东天隆集团霍洛湾煤矿极近距离煤层群开采为例，介绍初采阶段的自由冒落区和充分采动阶段的斜柱条梁区，其中，自由冒落区为当工作面自开切眼推进48m范围内，上覆岩层整体垮落呈“梯形”状分布，由于垮落区内的岩块并不能形成有效的结构，基本呈自由冒落的状态，因而将该区域称为自由冒落区；斜柱条梁区为当推进过自由冒落区后，工作面此后的开挖形成条条斜柱条梁，其破断步距为上覆砌体梁层断裂步距的一半，可形象地称斜柱条梁区。
如图2所示，在自由冒落区和斜柱条梁区的上方为砌体梁层，而在自由冒落区和斜柱条梁区的下方，则为直接顶。
图3为本发明实施例提供的自由冒落区下推进顶板结构示意图。如图3所示，当工作面在自由冒落区下推进至20m时，间隔岩层首次完全破断，上下采空区垮通，直接顶可在架后形成短暂的铰接结构控制其上的破碎顶板，破碎顶板的运动完全依附于直接顶的运动状态。
图4为本发明实施例提供的斜柱条梁区顶板动态结构示意图。如图4所示，当工作面推进过斜柱条梁区时，可以将斜柱条梁进行标号，分别为a、b、c、d、e和f块，其中，根据砌体梁层与斜柱条梁的相互作用，当工作面处于斜柱条梁a、b、e和f下时，上覆砌体梁岩块2、4对斜柱条梁产生压实作用，支架载荷最大，因此，在实际应用中，应该以上述这种情况为准，确定支架的载荷。
图5为本发明实施例提供的支架载荷最大时的顶板斜柱条梁力学模型结构示意图。如图5所示，不同于离层铰接段下的推进，工作面位于压实沉降段的斜柱条梁下时，支架不仅承受直接顶及斜柱条梁载荷的作用，还要承担其上砌体梁层及上覆载荷的大小。据此可知，此时即为支架载荷的最大状态，由于支架选型应当考虑最危险情况，因而建立此阶段下推进的顶板结构力学模型，求解作用于支架上的载荷大小。
以下，结合图1提供的一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法流程示意图，图2提供的采空区破碎顶板静态分区结构示意图，图3提供的自由冒落区下推进顶板结构示意图，图4提供的斜柱条梁区顶板动态结构示意图和图5提供的顶板斜柱条梁支架载荷力学模型结构示意图，来具体介绍本发明实施例提供的一种开采下煤层工作面支架载荷的确定方法。
如图2所示，在步骤101中，根据极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板结构，将极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板从上至下依次分为砌体梁层，冒落层和直接顶层，其中，冒落层包括自由冒落区和斜柱条梁，而且自由冒落区和斜柱条梁是按照开采推进方向划分的。
在步骤102中，根据图5所示顶板斜柱条梁支架载荷力学模型结构示意图，可以通过下列公式(6)，依次确定斜柱条梁U，斜柱条梁V的高度，具体地，公式(6)如下所示：
其中，H为所述斜柱条梁的高度。
以图5中的斜柱条梁U和斜柱条梁V整体为研究对象，此时，顶板结构随工作面推进的运动状态主要以竖直方向的沉降作用为主，因而，由∑Fx＝0，∑MO＝0，∑MF＝0，可以得到下列公式(7)，公式(8)和公式(9)：
Psinθ+N2sinα＝N1sinα (7)
当G为一个步距斜柱条梁的重力时，则可以得到下列公式(10)
在步骤103中，进一步地，根据公式(7)，公式(8)，公式(9)和公式(10)可以通过下列公式(2)，确定直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，具体地，公式(2)如下：
其中，上述公式中，m1为上煤层的采高；Kp为岩层的碎胀系数；P为砌体梁块及其上岩层的载荷；N3为前方斜柱条梁的作用力；N4为后方斜柱条梁的作用力；θ为下煤层采动砌体梁块回转角；α为斜柱条梁的倾角；L0为斜柱条梁”的步距；q为直接顶对上覆结构的均布载荷；b为支架的宽度；ρmg为斜柱条梁梁层的体积力。
其中，支架上的载荷由直接顶载荷W及其上顶板载荷两部分组成，均布载荷q对支架的作用至少为一个斜柱条梁的宽度，因而支架的支护阻力P1可以通过下列公式(3)确定：
P1＝W+qL0 (3)
在确定支架的支护阻力之前，需要先确定直接顶的载荷，其中，直接顶的载荷可以通过下列公式(11)确定：
W＝blk∑h’ρzg (11)
在实际应用中，因为砌体梁块的回转角可以通过下列公式(1)确定，
w1＝m2-(KP-1)∑h' (12)
其中，在上述公式中，W为直接顶的载荷；lK为支架的控顶距；W2为砌体梁块的下沉量，∑h为直接顶的厚度，ρzg为直接顶层的体积力，m2为下煤层采高。
进一步地，根据普氏地压学说，可知卸荷拱内岩石的重量可以通过下列公式(13)确定：
通过下列公式(14)确定关键块载荷：
PG＝2hL0ρg (14)
在上述公式中，Q为卸荷拱内岩石的重量，f为岩石坚硬性系数，PG为关键块的载荷，h为砌体梁块的厚度，ρg为砌体梁块的体积力。
在步骤104中，基于上述确定的支架宽度，卸荷拱内岩石的重量和关键块的载荷，可以通过下列公式(4)确定砌体梁层及砌体梁层上岩层的载荷，具体地，公式(4)如下：
P＝b(PG+Q) (4)
进一步地，基于上述确定斜柱条梁的均布载荷，直接顶载荷，砌体梁层及砌体梁层上岩层的载荷和支架的支护阻力，可以通过下列公式(5)确定工作面的支架载荷，具体地，公式(5)如下：
其中，上述公式中，Kp为岩层的碎胀系数，m1为上煤层的采高，θ为所述砌体梁块的回转角，α为所述斜柱条梁的倾角，L0为所述斜柱条梁的步距，P1为所述支架的支护阻力，lk为支架的控顶距，PW为所述工作面支架载荷，P为所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷，W为所述直接顶载荷，q为直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，PG为关键块的载荷，Q为卸荷拱内岩石的重量，ρg为所述砌体梁块的体积力，ρzg为所述直接顶层的体积力，ρmg为所述斜柱条梁的体积力，b为所述支架的宽度，∑h'为所述直接顶的厚度，h为所述砌体梁块的厚度，f为岩石坚硬性系数，w1为砌体梁块的下沉量。
综上所述，本发明实施例中，在确定工作面支架载荷时，考虑了浅埋极近距离煤层采空区下开采的顶板结构，且通过分析来判断支架受载的最大状态，通过建立力学模型进行解算，得出支架工作阻力的计算公式。和现有技术中确定支架载荷的确定方法，有更好的适用性、准确性和可靠性，为极近距离下煤层工作面液压支架载荷的确定提供了依据，对于实现矿井安全高效生产具有一定的理论意义及实践价值。
为了能够清楚说明本发明实施例提供的一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法，基于相同的发明构思，以下介绍一个具体实施例：
(1)工程概况
石圪台12102工作面开采1-2煤，工作面宽度294.5m，采高2.8m，煤层倾角1°-3°，埋深60-70m，基岩厚度45-60m，松散层厚度5-10m。1-2上101工作面采高2.0m，两工作面的间距为4.0m，12102工作面采用DBT8824/17/35二柱掩护式液压支架，液压支架技术特征如表1所示。
表1 8824/17/35二柱掩护式液压支架技术特征表
(2)支架载荷计算
根据石圪台极近距离煤层开采的条件，确定各参数如下：
m1＝2.0m；m2＝2.8m；ρzg＝ρmg＝23kN/m3；∑h＝4m；L0＝12m；Kp＝1.3；h＝5m；ρg＝26kN/m3；b＝1.75m；lk＝5m；α＝56°；f＝4。
根据公式(1)和公式(12)，可以有：
故θ＝2.96°
将上述参数代入公式(5)中，有：
据此方法，确定的支架上的载荷为8813.7kN/架。
(3)结论
根据石圪台矿12102工作面推进620-920m段的矿压实测数据，处于老采空区下的124#支架来压期间循环末阻力为8322kN/架，来压剧烈时达8900kN/架，工作面所采用DBT8824/17/35二柱掩护式支架适用性良好。
由上述方法计算得出支架载荷处于最大状态时达8813.7kN/架，与工程实践所得结论基本相符。由此可见，本发明实施例提供的一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法所确定的浅埋极近距离采空区下开采支架载荷的确定方法具有一定的可行性。
基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定装置，由于该装置解决技术问题的原理与一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法相似，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。
图6为本发明实施例提供的一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定装置结构示意图，如图所示，本发明实施例提供的一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定装置，包括：分块单元61，第一确定单元62，第二确定单元63和第三确定单元64。
分块单元61，用于根据极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板结构，将所述极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板从上至下依次分为砌体梁层，冒落层和直接顶层；将所述冒落层沿着开采推进方向依次分为自由冒落区和斜柱条梁区；
第一确定单元62，用于根据斜柱条梁与所述直接顶层之间的位置，确定所述斜柱条梁的倾角；根据砌体梁块结构，通过公式(1)确定所述砌体梁块的回转角；根据上煤层采高和顶板岩层碎胀系数确定所述斜柱条梁的高度；根据所述斜柱条梁在所述斜柱条梁区的分布情况，确定所述斜柱条梁的步距；
第二确定单元63，用于通过公式(2)确定直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷；根据所述直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷和所述斜柱条梁的步距，通过公式(3)确定支架的支护阻力；
第三确定单元64，用于根据所述支架宽度，卸荷拱内岩石的重量和关键块的载荷，通过公式(4)确定所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷；根据所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷，所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷和所述支架的支护阻力，通过公式(5)确定工作面支架载荷；
公式(1)如下所示：
公式(2)如下所示：
公式(3)如下所示：
P1＝W+qL0
公式(4)如下所示：
P＝b(PG+Q)
公式(5)如下所示：
其中，Kp为岩层的碎胀系数，m1为上煤层的采高，θ为所述砌体梁块的回转角，α为所述斜柱条梁的倾角，L0为所述斜柱条梁的步距，P1为所述支架的支护阻力，lk为支架的控顶距，PW为所述工作面支架载荷，P为所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷，W为所述直接顶载荷，q为直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，PG为关键块的载荷，Q为卸荷拱内岩石的重量，ρg为所述砌体梁块的体积力，ρzg为所述直接顶层的体积力，ρmg为所述斜柱条梁的体积力，b为所述支架的宽度，∑h'为所述直接顶的厚度，h为所述砌体梁块的厚度，f为岩石坚硬性系数，w1为砌体梁块的下沉量。
具体地，所述第二确定单元63还用于：通过下列公式确定所述斜柱条梁的高度：
其中，H为所述斜柱条梁的高度；
通过下列公式确定所述斜柱条梁的重力：
其中，G为所述斜柱条梁的重力。
具体地，所述第二确定单元63还用于：通过下列公式确定所述直接顶载荷：
W＝blk∑h’ρzg
其中，lk为支架的控顶距。
具体地，所述第三确定单元64还用于：通过下列公式确定所述卸荷拱内岩石的重量：
通过下列公式确定所述关键块的载荷：
PG＝2hL0ρg。
应当理解，以上一种极近距离煤层采空区下工作面支架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极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定装置所实现的功能与上述实施例提供的一种极近距离煤层采空区下工作面支架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)
1.一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定方法，其特征在于，包括：
根据极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板结构，将所述极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板从上至下依次分为砌体梁层，冒落层和直接顶层；将所述冒落层沿着开采推进方向依次分为自由冒落区和斜柱条梁区；
根据斜柱条梁与所述直接顶层之间的位置，确定所述斜柱条梁的倾角；根据所述斜柱条梁在所述斜柱条梁区的分布情况，确定所述斜柱条梁的步距；根据砌体梁块结构，通过公式(1)确定所述砌体梁块的回转角；根据上煤层采高和顶板岩层碎胀系数确定所述斜柱条梁的高度；
通过公式(2)确定直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷；根据所述直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，直接顶载荷和所述斜柱条梁的步距，通过公式(3)确定支架的支护阻力；
根据所述支架宽度，卸荷拱内岩石的重量和关键块的载荷，通过公式(4)确定所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷；根据所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷，所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷和所述支架的支护阻力，通过公式(5)确定工作面支架载荷；
公式(1)如下所示：
公式(2)如下所示：
公式(3)如下所示：
P1＝W+qL0
公式(4)如下所示：
P＝b(PG+Q)
公式(5)如下所示：
其中，Kp为岩层的碎胀系数，m1为上煤层的采高，θ为所述砌体梁块的回转角，α为所述斜柱条梁的倾角，L0为所述斜柱条梁的步距，P1为所述支架的支护阻力，lk为支架的控顶距，PW为所述工作面支架载荷，P为所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷，W为所述直接顶载荷，q为直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，PG为关键块的载荷，Q为卸荷拱内岩石的重量，ρg为所述砌体梁块的体积力，ρzg为所述直接顶层的体积力，ρmg为所述斜柱条梁的体积力，b为所述支架的宽度，∑h'为所述直接顶的厚度，h为所述砌体梁块的厚度，f为岩石坚硬性系数，w1为砌体梁块的下沉量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过公式(2)确定直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷之前，还包括：
通过下列公式确定所述斜柱条梁的高度：
其中，H为所述斜柱条梁的高度；
通过下列公式确定所述斜柱条梁的重力：
其中，G为所述斜柱条梁的重力。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过公式(3)确定支架的支护阻力之前，还包括：
通过下列公式确定所述直接顶载荷：
W＝blk∑h’ρzg
其中，lk为支架的控顶距。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下列公式确定所述卸荷拱内岩石的重量：
通过下列公式确定所述关键块的载荷：
PG＝2hL0ρg。
5.一种极近距离煤层采空区下工作面支架载荷确定装置，其特征在于，包括：
分块单元，用于根据极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板结构，将所述极近距离煤层上煤层采空区下的下煤层工作面顶板从上至下依次分为砌体梁层，冒落层和直接顶层；将所述冒落层沿着开采推进方向依次分为自由冒落区和斜柱条梁区；
第一确定单元，用于根据斜柱条梁与所述直接顶层之间的位置，确定所述斜柱条梁的倾角；根据砌体梁块结构，通过公式(1)确定所述砌体梁块的回转角；根据上煤层采高和顶板岩层碎胀系数确定所述斜柱条梁的高度；根据所述斜柱条梁在所述斜柱条梁区的分布情况，确定所述斜柱条梁的步距；
第二确定单元，用于通过公式(2)确定直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷；根据所述直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷和所述斜柱条梁的步距，通过公式(3)确定支架的支护阻力；
第三确定单元，用于根据所述支架宽度，卸荷拱内岩石的重量和关键块的载荷，通过公式(4)确定所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷；根据所述斜柱条梁的均布载荷，所述直接顶载荷，所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷和所述支架的支护阻力，通过公式(5)确定工作面支架载荷；
公式(1)如下所示：
公式(2)如下所示：
公式(3)如下所示：
P1＝W+qL0
公式(4)如下所示：
P＝b(PG+Q)
公式(5)如下所示：
其中，Kp为岩层的碎胀系数，m1为上煤层的采高，θ为所述砌体梁块的回转角，α为所述斜柱条梁的倾角，L0为所述斜柱条梁的步距，P1为所述支架的支护阻力，lk为支架的控顶距，PW为所述工作面支架载荷，P为所述砌体梁层及所述砌体梁层上岩层的载荷，W为所述直接顶载荷，q为直接顶对所述斜柱条梁的均布载荷，PG为关键块的载荷，Q为卸荷拱内岩石的重量，ρg为所述砌体梁块的体积力，ρzg为所述直接顶层的体积力，ρmg为所述斜柱条梁的体积力，b为所述支架的宽度，∑h'为所述直接顶的厚度，h为所述砌体梁块的厚度，f为岩石坚硬性系数，w1为砌体梁块的下沉量。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二确定单元还用于：通过下列公式确定所述斜柱条梁的高度：
其中，H为所述斜柱条梁的高度；
通过下列公式确定所述斜柱条梁的重力：
其中，G为所述斜柱条梁的重力。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二确定单元还用于：
通过下列公式确定所述直接顶载荷：
W＝blk∑h’ρzg
其中，lk为支架的控顶距。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第三确定单元还用于：通过下列公式确定所述卸荷拱内岩石的重量：
通过下列公式确定所述关键块的载荷：
PG＝2hL0ρg。
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