CN107239673A - 一种浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法，涉及煤层开采技术领域。该方法包括：根据浅埋煤层群层间双关键层的工作面矿压特征中大周期来压时支架载荷大的特征，建立大周期来压工作面顶板结构模型；根据大周期来压工作面顶板结构模型，确定支架载荷为直接顶重量和下位关键层斜台阶岩梁结构施加载荷之和；根据支架载荷和支护效率，确定浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷。本发明确定的方法以矿压实测及物理相似模拟为依据，得出了工作面矿压显现特征，建立了浅埋煤层群层间双关键层结构模型，提出支架载荷的确定方法，可为此类条件下工作面支架载荷的确定提供依据。

Description

一种浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法

技术领域

本发明涉及煤层开采技术领域，更具体的涉及一种浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法。

背景技术

我国西部神府矿区浅埋煤层群储量丰富，随着煤炭资源开发，浅埋煤层上部的单一煤层已开采殆尽，大部分矿井进入下部煤层开采，工作面存在动压灾害，造成压架等事故，威胁矿区安全生产。层间具有双关键层结构类型的浅埋煤层群在神府矿区较为常见，目前，对浅埋煤层群的开采研究，主要集中于过上覆煤柱的工作面异常来压与顶板控制研究，但是关于浅埋煤层群层间具有双关键层结构的下煤层工作面支架载荷的确定研究较少，有待创新。神府矿区层间具有双关键层结构的浅埋煤层群，煤层间距一般为28～45m。工作面动载系数较大，存在大小周期来压，表现为近浅埋煤层的矿压特征。关于此类条件下开采的工作面顶板结构与支架载荷研究成果甚少，成为矿区亟待解决的技术难题。目前，支架载荷的确定方法主要有以下五种：

(1)采高容重估算法：按采高4～8倍岩柱重量估算。

(2)砌体梁结构法：一般从老顶结构的滑落失稳确定支架载荷。

(3)威尔逊法：只考虑直接顶的形状与载荷，支架载荷为直接顶载荷与顶板附加力之和。

(4)“台阶岩梁”法：浅埋煤层顶板来压的机理是顶板结构滑落失稳。

(5)工程类比法：总结分析开采条件类似的工作面矿压特征与支架选型，为本工作面支架载荷的确定提供参考。

针对浅埋煤层群层间双关键层结构下煤层工作面开采条件，现有支架载荷确定方法分别存在以下缺点：

(1)采高容重估算法：适用于采高不大的条件，采高较大时准确性差。

(2)砌体梁结构法：不适用于浅埋煤层的开采条件。

(3)威尔逊法：Q₃载荷是一个不定值，不易确定。

(4)“台阶岩梁”法：主要适用于浅埋单一煤层开采支架载荷确定，不能直接用来确定浅埋煤层群层间双关键层结构下煤层工作面支架载荷。

(5)工程类比法：开采条件存在差异，且样本有限，不能直接应用。

以上支架载荷的确定方法主要针对单一煤层开采，而对于浅埋煤层群层间双关键层结构的下煤层工作面支架载荷的确定，并没有相关成果对矿压特征与顶板结构进行系统分析，缺少一种此类条件下开采支架载荷的确定方法。

综上所述，现有技术中，存在单一煤层工作面支架载荷的确定方法，但没有对浅埋煤层群下煤层工作面矿压特征与顶板结构进行系统分析，不能应用于浅埋煤层群层间双关键层结构的下煤层工作面支架载荷的确定的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法，用以解决现有技术中没有对浅埋煤层群下煤层工作面矿压特征与顶板结构进行系统分析，不能应用于浅埋煤层群层间双关键层结构的下煤层工作面支架载荷的确定的问题。

本发明实施例提供一种浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法，包括：

根据浅埋煤层群层间双关键层的工作面矿压特征中大周期来压时支架载荷大的特征，建立大周期来压工作面顶板结构模型；

根据大周期来压工作面顶板结构模型，确定支架载荷为直接顶重量和下位关键层斜台阶岩梁结构施加载荷之和；

根据支架载荷和支护效率，通过公式(111)，确定浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷；

所述公式(111)，如下所示：

其中，P_m为浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷；μ为支护效率；b为支架宽度；l_k为支架控顶距；h为下位关键层厚度；ρ₁g为直接顶的体积力；α为岩层破断角；L₁为斜台阶岩梁块长度；m₂为下煤层采高；∑h为直接顶的厚度；ρg为下位关键层的体积力；h₁为下载荷层厚度；P₀为砌体梁岩块M₁自重及其覆载；L₂为砌体梁块长度；为岩块间摩擦角；h₂为上位关键层厚度。

较佳地，通过矿压实测分析和物理相似模拟，确定浅埋煤层群层间双关键层的工作面矿压特征；其中，所述工作面矿压特征包括：层间双关键层呈分层垮落特征；工作面存在大小周期来压现象，下位关键层垮落引起小周期来压，工作面来压小，双关键层整体垮落导致工作面的大周期强烈来压，支架载荷大；下位关键层首先破断形成“斜台阶岩梁”结构；间隔层双关键层同步破断上位关键层形成“砌体梁”结构。

较佳地，所述直接顶重量，由下式确定：

W＝bl_k∑hρ₁g

其中，W为直接顶重量。

较佳地，根据大周期来压工作面顶板结构模型和斜台阶岩梁结构分析法，确定所述下位关键层斜台阶岩梁结构施加载荷；所述下位关键层斜台阶岩梁结构施加载荷，由下式确定：

其中，R₁为下位关键层斜台阶岩梁结构施加载荷；θ为斜台阶岩梁块M的回转角；ω₁为斜台阶岩梁块M的回转下沉量；a为接触面高度；为关键块端角摩擦系数；P₁为斜台阶岩梁块M及承受的载荷。

较佳地，所述斜台阶岩梁块M及承受的载荷为斜台阶岩梁块M与下载荷层重量和砌体梁块M₁传递载荷；

所述斜台阶岩梁块M与下载荷层重量，由下式确定：

R₂＝(hρg+h₁ρ₁g)bL₁

根据砌体梁结构分析方法，确定所述砌体梁块M₁传递载荷；所述砌体梁块M₁传递载荷，由下式确定：

其中，R₂为斜台阶岩梁块M与下载荷层重量；R₃为砌体梁块M₁传递载荷；ω₂为砌体梁块M₁的回转下沉量；P₀为砌体梁岩块M₁自重及其覆载。

较佳地，所述砌体梁岩块M₁自重及其覆载，由下式确定：

其中，K_G为载荷传递因子；h₃为上载荷层厚度。

本发明实施例中，提供一种浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法，与现有技术相比，其有益效果为：本发明专利旨在确立一种浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法，确保工作面的安全高效回采，为该类浅埋煤层群工作面安全、经济开采提供新技术。本发明确定的方法以矿压实测及物理相似模拟为依据，得出了工作面矿压显现特征，建立了浅埋煤层群层间双关键层结构模型，提出支架载荷的确定方法，可为此类条件下工作面支架载荷的确定提供依据。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法流程图；

图2(a)为本发明实施例提供的层间关键层破断特征之小周期来压；

图2(b)为本发明实施例提供的层间关键层破断特征之大周期来压；

图3为本发明实施例提供的大周期来压工作面顶板结构。

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浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法流程图。如图1所示，该方法包括：

步骤S101，根据浅埋煤层群层间双关键层的工作面矿压特征中大周期来压时支架载荷大的特征，建立大周期来压工作面顶板结构模型。

需要说明的是，通过矿压实测分析和物理相似模拟，确定浅埋煤层群层间双关键层的工作面矿压特征。

其中，矿压实测分析，具体如下：

实例一：补连塔22306工作面

补连塔22306工作面开采2^-2煤，煤层倾角1～3°，埋深101～253m，采高6.8m，工作面选用ZY18000/32/70D型两柱掩护式支架。位于其上部1^-2煤的12307工作面经回采成为采空区，采高5.4m，煤层间距28～35m，层间具有双关键层结构。22306工作面存在大小周期来压，小周期来压步距平均13m，来压期间支架平均工作阻力16900kN/架；大周期来压步距平均37m，来压期间支架平均工作阻力19700kN/架。

实例二：柠条塔N1200工作面

柠条塔N1200工作面开采2^-2煤，煤层倾角小于1°，埋深67～151m，采高5.87m，工作面选用ZY12000/28/63D型两柱掩护式支架。位于其上部1^-2煤的N1106工作面经回采成为采空区，采高1.72m，煤层间距平均39m，层间具有双关键层结构。N1200工作面存在大小周期来压，小周期来压步距平均12m，来压期间支架最大工作阻力12515kN/架；大周期来压步距平均24m，来压期间支架最大工作阻力13872kN/架。

其中，物理相似模拟，具体如下：

柠条塔矿北翼东区1^-2煤平均厚度1.84m，埋深110m，下部2^-2煤层平均厚度5m，层间距平均30m，属层间具有双关键层类型，实验几何相似比1：200。工作面推进，间隔层下位关键层首先垮落，此时上位关键层并未破断，能够控制上部垮落顶板，工作面来压较小，如图图2(a)所示；继续推进，上位关键层破断，上下煤层采空区垮通，支架载荷较大，形成大周期来压，如图图2(b)所示。

其中，工作面矿压特征，具体如下：

层间双关键层呈分层垮落特征；工作面存在大小周期来压现象，下位关键层垮落引起小周期来压，双关键层整体垮落导致工作面的大周期强烈来压。

其中，大周期来压工作面顶板结构模型，具体如下：

浅埋煤层群层间具有双关键层结构类型的工作面，直接顶垮落后继续推进，下位关键层首先破断形成“斜台阶岩梁”结构，为工作面的小周期来压，继续推进，间隔层双关键层同步破断，此时上位关键层形成“砌体梁”结构，为工作面的大周期来压。支护阻力的确定应以控制大周期来压为准，建立大周期来压工作面顶板结构如图3所示。

其中，P₀为砌体梁岩块M₁自重及其覆载，kN；ω₂为砌体梁块M₁的回转下沉量，m；L₂为砌体梁块长度，m；R₃为砌体梁块向下的作用力，kN；ω₁为斜台阶岩梁块M的回转下沉量，m；R₂为斜台阶岩梁块M及下载荷层的自重，kN；θ为斜台阶岩梁块M的回转角；R₁为斜台阶岩梁块M向下的作用力，kN；L₁为斜台阶岩梁块长度，m；α为岩层破断角；h₂为上位关键层厚度，m；h₁为下载荷层厚度，m；h₃为上载荷层厚度，m；h为下位关键层厚度，m；∑h为直接顶的厚度，m；m₂为下煤层采高，m。

步骤S102，根据大周期来压工作面顶板结构模型，确定支架载荷为直接顶重量和下位关键层斜台阶岩梁结构施加载荷之和。

根据图3，支架载荷主要由直接顶重量及下位关键层斜台阶岩梁结构施加载荷构成。上位关键层及其覆载主要影响下位关键层结构稳定性。

支架的支护阻力为：

P＝W+R₁ (1)

W＝bl_k∑hρ₁g (2)

根据斜台阶岩梁结构分析，有：

式中，W为直接顶的重量，kN；ρ₁g为直接顶的体积力，kN/m³；a为接触面高度，m；为关键块端角摩擦系数；P₁为斜台阶岩梁块M及承受的载荷，kN。

上式(3)中，P₁由两部分载荷组成，分别是斜台阶岩梁块M与下载荷层重量R₂及砌体梁块M₁传递载荷R₃。R₂与R₃由下式确定：

P₁＝R₂+R₃ (4)

R₂＝(hρg+h₁ρ₁g)bL₁ (5)

根据砌体梁结构分析方法，砌体梁块M₁传递载荷为：

式中，为岩块间摩擦角；ρg为下位关键层的体积力，kN/m³；ρ₁g为载荷的体积力，kN/m³。

P₀可根据下式确定：

式中，ρg为上位关键层的体积力，kN/m³；K_G为载荷传递因子；ρ₁g为上载荷层及上部垮落顶板的体积力，kN/m³。

步骤S103，根据支架载荷和支护效率，通过公式(111)，确定浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷。

需要说明的是，关键块M与M₁的回转下沉量为ω₁≈ω₂＝m₂-(K_p-1)∑h，取K_p＝1.3，回转角θ与挤压面高度0.5a很小，忽略不计。考虑支护效率μ，由式(1)～(7)得到工作面大周期来压的支护阻力为：

需要说明的是，本发明中的工作面大周期来压的支护阻力即为浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷。

本发明专利旨在确立一种浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法，确保工作面的安全高效回采，为该类浅埋煤层群工作面安全、经济开采提供新技术。本发明确定的方法以矿压实测及物理相似模拟为依据，得出了工作面矿压显现特征，建立了浅埋煤层群层间双关键层结构模型，提出支架载荷的确定方法，可为此类条件下工作面支架载荷的确定提供依据。

本发明提供的工程实例：

柠条塔N1200工作面开采2^-2煤，平均采高5.87m，埋深平均102m，位于其上部1^-2煤的N1106工作面已开采成为采空区，层间距平均39m，属层间具有双关键层结构的浅埋较近距离煤层开采条件。计算参数选取如下：μ＝0.9，b＝1.75m；l_k＝5.0m；Σh＝5.9m；ρ₁g＝22kN/m³；h＝12m；α＝60°；L₁＝12m；m₂＝5.87m；h₁＝2.0m；ρg＝25kN/m³；L₂＝24m；h₂＝18m；K_G＝0.4；h₃＝0.8m。

根据公式(111)得：

P_m＝13810kN

根据N1200工作面开采实践，大周期来压工作面液压支架最大工作阻力达13872kN/架，来压时有煤壁有片帮现象，活柱下缩量增大，安全阀开启，工作面选用的额定工作阻力为12000kN/架的掩护式支架无法满足来压强度要求。根据理论计算得合理的支护阻力为13810kN，与工程实践结果相符。

可见，本专利所确定的浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法具有可行性。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，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，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 (6)

1.一种浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法，其特征在于，包括：

根据浅埋煤层群层间双关键层的工作面矿压特征中大周期来压时支架载荷大的特征，建立大周期来压工作面顶板结构模型；

根据大周期来压工作面顶板结构模型，确定支架载荷为直接顶重量和下位关键层斜台阶岩梁结构施加载荷之和；

根据支架载荷和支护效率，通过公式(111)，确定浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷；

所述公式(111)，如下所示：

其中，P_m为浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷；μ为支护效率；b为支架宽度；l_k为支架控顶距；h为下位关键层厚度；ρ₁g为直接顶的体积力；α为岩层破断角；L₁为斜台阶岩梁块长度；m₂为下煤层采高；∑h为直接顶的厚度；ρg为下位关键层的体积力；h₁为下载荷层厚度；P₀为砌体梁岩块M₁自重及其覆载；L₂为砌体梁块长度；为岩块间摩擦角；h₂为上位关键层厚度。

2.如权利要求1所述的浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法，其特征在于，通过矿压实测分析和物理相似模拟，确定浅埋煤层群层间双关键层的工作面矿压特征；其中，所述工作面矿压特征包括：层间双关键层呈分层垮落特征；工作面存在大小周期来压现象，下位关键层垮落引起小周期来压，工作面来压小，双关键层整体垮落导致工作面的大周期强烈来压，支架载荷大；下位关键层首先破断形成“斜台阶岩梁”结构；间隔层双关键层同步破断上位关键层形成“砌体梁”结构。

3.如权利要求1所述的浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法，其特征在于，所述直接顶重量，由下式确定：

W＝bl_k∑hρ₁g

其中，W为直接顶重量。

4.如权利要求1所述的浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法，其特征在于，根据大周期来压工作面顶板结构模型和斜台阶岩梁结构分析法，确定所述下位关键层斜台阶岩梁结构施加载荷；所述下位关键层斜台阶岩梁结构施加载荷，由下式确定：

其中，R₁为下位关键层斜台阶岩梁结构施加载荷；θ为斜台阶岩梁块M的回转角；ω₁为斜台阶岩梁块M的回转下沉量；a为接触面高度；为关键块端角摩擦系数；P₁为斜台阶岩梁块M及承受的载荷。

5.如权利要求4所述的浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法，其特征在于，所述斜台阶岩梁块M及承受的载荷为斜台阶岩梁块M与下载荷层重量和砌体梁块M₁传递载荷；

所述斜台阶岩梁块M与下载荷层重量，由下式确定：

R₂＝(hρg+h₁ρ₁g)bL₁

根据砌体梁结构分析方法，确定所述砌体梁块M₁传递载荷；所述砌体梁块M₁传递载荷，由下式确定：

其中，R₂为斜台阶岩梁块M与下载荷层重量；R₃为砌体梁块M₁传递载荷；ω₂为砌体梁块M₁的回转下沉量；P₀为砌体梁岩块M₁自重及其覆载。

6.如权利要求5所述的浅埋煤层群层间双关键层结构支架载荷的确定方法，其特征在于，所述砌体梁岩块M₁自重及其覆载，由下式确定：

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>bL</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>h</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>g</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>G</mi> </msub> <msub> <mi>bL</mi> <mn>2</mn> </msub> <msub> <mi>&amp;rho;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>h</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，K_G为载荷传递因子；h₃为上载荷层厚度。