CN106919744A - 浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法，通过物理模拟研究发现下煤层工作面初次来压(层间覆岩初次破断)时，关键层初次破断形成“非对称三铰拱结构”，结构上的载荷层为上煤层采空区垮落顶板。上煤层垮落顶板结构在下煤层采动后活化，与下煤层三铰拱结构共同形成“非对称三铰拱梁与拱壳载荷结构”。通过建立浅埋近距离煤层群下煤层关键层固支梁力学模型，修正关键层极限垮距计算公式，确定下煤层顶板结构块的参数。建立近距离煤层群下煤层开采初次来压的支架载荷计算模型。基于动静载荷作用，提出了初次来压的合理支架工作阻力确定方法，为浅埋近距离煤层群开采的顶板初次来压控制提供了理论依据。

Description

浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定 方法

【技术领域】

本发明属于煤炭开采技术领域，涉及一种浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法。

【背景技术】

陕北侏罗纪煤田是我国特大型煤炭资源基地，该区煤炭储量大、煤层埋藏浅，可采煤层多，开采条件相对简单。但煤田内各矿井随着开采规模逐年加大，部分区域的第一煤层已经开采完毕，将开始进行第二、三主采煤层的开采。根据多年来的生产实践，煤层群开采过程中在对下部煤层开采时容易出现异常压架、煤壁片帮、两巷底鼓量增大、冒顶等剧烈来压现象，不仅严重威胁到了操作人员的安全，而且制约了矿井的安全高效生产。

目前，浅埋近距离煤层群下煤层开采顶板初次来压顶板结构特征及支架载荷的确定均是采用单一浅埋煤层开采的顶板结构特征来确定支架载荷，但计算过程中并未考虑上煤层已经开采形成不均载荷的作用特征，也未考虑在不均载荷作用下的顶板破断规律及特征。

【发明内容】

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种考虑下煤层工作面在重复采动、载荷层厚度增大且加载不均情况下的浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立浅埋近距离煤层群下煤层关键层固支梁力学模型，并推导出下煤层关键层受不均载荷作用下的初次破断距计算公式：

下煤层关键层初次破断距决定了B关键块的长度；其中，h₁为下煤层关键层厚度，q₁为上煤层关键层铰接部分对应下煤层关键层所受载荷，q₂为上煤层关键层有一定压实部分对应下关键层所受载荷，R_T为岩石抗拉强度；

2)支架必须提供的支护阻力P由静态支护阻力P_m和动态载荷F_D组成；

3)煤层群下煤层开采过程中，初次来压时支架受到的平均压力为未来压时的1.3倍以上，则认定动载系数K_D为0.3以上，即顶板的动态载荷F_D为：

F_D＝K_D·P_m＝0.3P_m

则初次来压支架的支护阻力为：P≥P_m+F_D＝1.3P_m。

本发明进一步的改进在于：

按照各岩层或岩组对支架作用力空间位置从下向上的顺序，支架静态支护阻力P_m分别为下煤层直接顶重量、下煤层关键层垮落顶板载荷、上煤层关键层垮落顶板载荷以及静态支护阻力；

其中，下煤层关键层初次破断后形成了两个关键块：靠近工作面一侧的B关键块及靠近采空区一侧的C关键块，两相邻关键块与两侧煤壁相互铰接。

下煤层直接顶重量：

W＝L_kb∑hγ

上式中，L_K为支架顶梁长度，b为支架宽度，h为下煤层直接顶厚度，γ为下煤层直接顶容重。

下煤层关键层垮落顶板载荷：

P_B＝P_GB+P_ZB

上式中，P_GB为B关键块有效传递重量，P_ZB为上煤层直接顶有效载荷。

上煤层关键层垮落顶板载荷：

P_F＝P_GF+P_ZF

上式中，P_GF为F关键块(上煤层关键层破断后，位于B关键块上部的岩块)有效传递重量，P_ZF为上煤层关键层有效载荷。

静态支护阻力为：

P_m＝W+P_B+P_F

其中，P_m为支架的静态支护阻力，W为下煤层直接顶载荷，P_B为下煤层关键层垮落顶板载荷，P_F为上煤层关键层垮落顶板载荷。

其特征在于，

建立浅埋近距离煤层群下煤层关键层固支梁力学模型：

其中，M_A为A点的弯矩，q₁为上煤层关键层铰接部分对应下煤层关键层所受载荷，q₂为上煤层关键层压实部分对应下关键层所受载荷，L_q为受q₁作用的梁的长度，L_h为q₂作用的梁的长度，M_x为所求梁上任意一点的弯矩，x为任意一点距M点的水平距离。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在综合现有单一浅埋煤层开采顶板初次来压支架载荷计算方法的基础上，首次考虑了上煤层已采，下煤层开采顶板载荷层增大且受载不均，矿压动载显现明显，台阶下沉量较大等因素，提出了浅埋煤层群开采初次来压结构可简称为“非对称三铰拱梁与拱壳载荷结构”、建立了固支梁力学模型，推导了下煤层顶板受不均载荷作用下的初次破断步距计算公式、得出了动静载荷作用下的煤层群开采初次来压支架的支护阻力计算方法。由此计算得出的浅埋煤层群开采次来压支架的支护阻力更合理科学，更有利于指导实际生产及应用。

【附图说明】

图1是本发明非对称三铰拱梁与拱壳载荷的结构示意图；

图2是本发明下煤层顶板初次来压载荷分布的示意图；

图3是本发明下煤层关键层固支梁力学模型的示意图；

图4是本发明顶板初次来压支架围岩关系力学模型。

图中：A，B，C，D–下煤层开采关键块；E，F–上煤层关键块；q₁–上煤层关键层铰接部分对应下煤层关键层所受载荷；q₂–上煤层关键层压实部分对应下关键层所受载荷；L_q–下煤层顶板初次破断前部岩块长度，L_h–下煤层顶板初次破断后部岩块长度；L₁–上煤层顶板初次破断跨距，L₂–下煤层顶板初次破断跨距；h–下煤层开采直接顶厚度；h₁–下煤层开采关键层厚度；h₂–已采上煤层直接顶厚度；h₃–已采上煤层关键层厚度。各参数的选择均依据现场的实际地质条件。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明适应于近距离煤层群开采条件下的普遍煤层，尤其适用于浅埋煤层的基本条件。其基本结构包含下煤层直接顶、下煤层关键层、下煤层关键层与上煤层关键层层间覆岩、上煤层关键层、上煤层关键层直至地表间的载荷层。

1)煤层群是指，由上、下多层两层煤和岩体组成的地质结构。近距离煤层群下煤层开采层间覆岩一般只有一层关键层(对上部岩层起到主要控制作用的坚硬岩层)，随开采顶板初次来压(关键层初次完全破断)时，所形成的结构包括：下煤层直接顶(随开采直接垮落的岩层)、下煤层关键层、下煤层关键层与上煤层关键层层间覆岩、上煤层关键层、上煤层关键层直至地表间的载荷层。

本发明浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法，包括以下步骤：

1)浅埋近距离煤层群上煤层开采后，老顶破断岩块形成铰接结构，导致边界处顶板充填不实，对间隔岩层顶板的载荷不均。压实状态的F岩块载荷较高，称为应力恢复区；靠近边界的E岩块处于应力降低区，导致下煤层顶板有q₁＜q₂。下煤层顶板初次来压形成“下部为非对称三铰拱，上部为拱壳载荷体”的结构，即浅埋近距离煤层群开采初次来压结构可简称为“非对称三铰拱梁与拱壳载荷结构”。由此建立了浅埋近距离煤层群下煤层老顶关键层固支梁力学模型：

其中，M_A为A点的弯矩，q₁为上煤层关键层铰接部分对应下煤层关键层所受载荷，q₂为上煤层关键层压实部分对应下关键层所受载荷，L_q为受q₁作用的梁的长度，L_h为q₂作用的梁的长度，M_x为所求梁上任意一点的弯矩，x为任意一点距M点的水平距离。

根据上述力学模型，推导出下煤层顶板受不均载荷作用下的初次破断步距计算公式，具体推导过程如下：

根据拉破坏准则，岩梁的极限跨距为：

式中：R_T为岩石抗拉强度，MPa；h为间隔岩层厚度，m。

由于间隔岩层受不均匀载荷的作用，可得：

将式(1)代入式(3),可得出下煤层顶板受不均载荷作用下的初次破断步距计算公式：

该公式决定了关键块B的长度，直接影响着支架的受力情况。

其中，h₁为下煤层关键层厚度，q₁为上煤层关键层铰接部分对应下煤层关键层所受载荷，q₂为上煤层关键层压实部分对应下关键层所受载荷，R_T为岩石抗拉强度；

2)按照下煤层直接顶、下煤层关键层跨落顶板(包括下煤层关键层及包括下煤层关键层与上煤层关键层层间覆岩)、上煤层关键层垮落顶板(上煤层关键层、上煤层关键层直至地表间的载荷层)分别对支架的作用力，建立支架受力的力学模型，支架必须提供的支护阻力P由静态支护阻力P_m和动态载荷F_D组成；

煤层群下煤层开采过程中，初次来压时支架受到的平均压力为未来压时的1.3倍以上，则认定动载系数K_D为0.3(为现场实测值)以上，即顶板的动态载荷F_D为：

3)支架静态支护阻力P_m由按照从下向上的顺序分别为：

3-1)下煤层直接顶重量W＝L_kb∑hγ，其中，L_K为支架顶梁长度，b为支架宽度，h为下煤层直接顶厚度，γ为直接顶容重；

3-2)下煤层关键层垮落顶板载荷P_B＝P_GB+P_ZB，其中，P_GB为B关键块有效传递重量，P_ZB为上煤层直接顶有效载荷；

3-3)上煤层关键层垮落顶板载荷P_F＝P_GF+P_ZF，其中，P_GE为F关键块有效传递重量，P_ZF为上煤层关键层有效载荷；

3-4)静态支护阻力为：

4)根据现场实测可以发现，煤层群下煤层开采过程中，初次来压时支架受到的平均压力为未来压时的1.3倍以上，可认定动载系数K_D为0.3以上，即顶板的动态载荷F_D为：F_D＝K_D·P_m＝0.3P_m

5)通过以上分析，初次来压支架的支护阻力：P≥P_m+F＝1.3P_m。

实施例：

参见图1-3，以神府矿区4^-4煤层及5^-2煤层的开采为例，上煤层厚1m，煤层间距35m，5^-2煤厚6m，冒落带高度为23m，关键层粉砂岩厚度为10.9m，块度为0.917。基岩容重为27kN/m³，载荷层平均容重为24kN/m³，上煤层关键层距地表80m。

直接顶重量：W＝L_kb_m∑hγ＝5.4×23×27×1.75＝5868kN。h_m为冒落带高度，b为支架宽度，r为基岩容重。

F关键块及上覆有效载荷：P_F＝P_GF+P_ZF＝4320+18900＝23220kN。

F关键块结构失稳所传递载荷：R_F＝5690kN。

B关键块及上覆有效载荷：P_B＝P_GB+P_ZB＝5940+23639＝29579kN。

下煤层关键层结构对支架的作用力：R_D＝10697kN。

支架的静载支护阻力：P_m＝10697+5868＝17665kN。

工作面间隔岩层顶板破断时，顶板结构及其载荷的运动冲击，对支架载荷有较大影响。

F＝K_D·P_m＝0.3P_m＝0.3×17655＝5296.5kN

同时考虑静载与动载的作用，控制下煤层顶板稳定的最小支护阻力为：

P＝P_m+F＝17665+5296.5＝22961.5kN

神府矿区5^-2煤层开采使用工作阻力为16000kN/架的液压支架，初次来压时工作面中部支架安全阀开启频繁，实测动载系数可达1.3以上，最大支架载荷达到随着基载比的大幅减小，相同地质条件下的煤层群开采时的支架受力较单一煤层开采相应上升，可说明现场实际情况与理论计算结果相符。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立浅埋近距离煤层群下煤层关键层固支梁力学模型，并推导出下煤层关键层受不均载荷作用下的初次破断距计算公式：

$L=h_1\sqrt{\frac{R_T}{0.2q_1+0.3q_2}}$

下煤层关键层初次破断距决定了B关键块的长度；其中，h₁为下煤层关键层厚度，q₁为上煤层关键层铰接部分对应下煤层关键层所受载荷，q₂为上煤层关键层有一定压实部分对应下关键层所受载荷，R_T为岩石抗拉强度；

2)支架必须提供的支护阻力P由静态支护阻力P_m和动态载荷F_D组成；

3)煤层群下煤层开采过程中，初次来压时支架受到的平均压力为未来压时的1.3倍以上，则认定动载系数K_D为0.3以上，即顶板的动态载荷F_D为：

F_D＝K_D·P_m＝0.3P_m

则初次来压支架的支护阻力为：P≥P_m+F_D＝1.3P_m。

2.根据权利要求1所述的浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法，其特征在于，按照各岩层或岩组对支架作用力空间位置从下向上的顺序，支架静态支护阻力P_m分别为下煤层直接顶重量、下煤层关键层垮落顶板载荷、上煤层关键层垮落顶板载荷以及静态支护阻力；

其中，下煤层关键层初次破断后形成了两个关键块：靠近工作面一侧的B关键块及靠近采空区一侧的C关键块，两相邻关键块与两侧煤壁相互铰接。

3.根据权利要求2所述的浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法，其特征在于，下煤层直接顶重量：

W＝L_kb∑hγ

上式中，L_K为支架顶梁长度，b为支架宽度，h为下煤层直接顶厚度，γ为下煤层直接顶容重。

4.根据权利要求2所述的浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法，其特征在于，下煤层关键层垮落顶板载荷：

P_B＝P_GB+P_ZB

上式中，P_GB为B关键块有效传递重量，P_ZB为上煤层直接顶有效载荷。

5.根据权利要求2所述的浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法，其特征在于，上煤层关键层垮落顶板载荷：

P_F＝P_GF+P_ZF

上式中，P_GF为F关键块(上煤层关键层破断后，位于B关键块上部的岩块)有效传递重量，P_ZF为上煤层关键层有效载荷。

6.根据权利要求2所述的浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法，其特征在于，静态支护阻力为：

P_m＝W+P_B+P_F

其中，P_m为支架的静态支护阻力，W为下煤层直接顶载荷，P_B为下煤层关键层垮落顶板载荷，P_F为上煤层关键层垮落顶板载荷。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法，其特征在于，

建立浅埋近距离煤层群下煤层关键层固支梁力学模型：

${\mathrm{\ΣM}}_B=q_2\·L_h\·\frac{L_h}{2}+q_1\·L_q\·(\frac{L_q}{2}+L_h)-F_{RA}\·(L_h+L_q)=0$

$F_{RA}=(\frac{1}{2}{q}_2{L_h}^2+\frac{1}{2}{q}_1{L_q}^2+q_1{L}_q{L}_h)/(L_q+L_h)$

${\mathrm{\ΣM}}_A=q_1\·L_q\·\frac{L_q}{2}+q_2\·L_h\·(L_q+\frac{L_h}{2})-F_{RB}\·(L_h+L_q)=0$

$F_{RB}=(\frac{1}{2}{q}_1{L_q}^2+\frac{1}{2}{q}_2{L_h}^2+q_2{L}_q{L}_h)/(L_q+L_h)$

$M_x=\frac{q}{12}(6L_{q}x-6x^2-{L_q}^2)$

其中，M_A为A点的弯矩，q₁为上煤层关键层铰接部分对应下煤层关键层所受载荷，q₂为上煤层关键层压实部分对应下关键层所受载荷，L_q为受q₁作用的梁的长度，L_h为q₂作用的梁的长度，M_x为所求梁上任意一点的弯矩，x为任意一点距M点的水平距离。