CN107401404B - 一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，涉及煤层开采技术领域。该方法包括：通过分析大倾角煤层群下煤层工作面顶板的倾向结构特征和走向结构特征，将工作面倾向结构载荷进行分区；根据工作面倾向结构载荷分区特征中工作面中区载荷最大特征，建立顶板结构分析模型；根据顶板结构分析模型和砌体梁结构分析方法，确定工作面中区支架工作阻力；根据工作面中区支架工作阻力和支架支护效率，确定大倾角煤层群下工作面支护阻力。本发明紧密结合大倾角煤层群下工作面顶板结构与支架载荷分区特征，建立大倾角煤层群下工作面综放开采支架受力与顶板结构力学模型，确定工作面合理的支护阻力，可为类似工作面开采支架选型提供借鉴。

Description

一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法
技术领域
本发明涉及煤层开采技术领域，更具体的涉及一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法。
背景技术
我国西部大倾角煤层储量丰富，主要分布于新疆、甘肃、宁夏等省。由于赋存条件与开采方法的特殊性，工作面顶板结构与矿压特征不同于近水平煤层开采。大倾角煤层群下工作面开采主要存在两方面的问题：一是由于煤层倾角大，需要确定合理的初撑力维持支架的稳定性；二是采空区冒落矸石沿工作面倾向向下滑动，造成不同的充填特征，形成支架载荷分区。工作面上区顶板悬空，充填程度差，支架载荷小；工作面中区与下区充填程度高，中区顶板处于压实状态，支架载荷大，而下区顶板结构相对稳定。
针对大倾角煤层群下工作面支护阻力的定量分析与计算，确定工作面合理的支护参数，是确保此类工作面安全、高效、经济开采的关键技术。大倾角煤层群上煤层采空区下的下煤层开采，工作面顶板结构表现为空间结构特征，存在支护阻力确定困难，目前尚缺乏一种科学有效的方法。现有的支护阻力的确定办法主要针对单一煤层开采，包括：采高容重法、砌体梁与台阶岩梁法、工程类比分析法等。对于大倾角煤层群下工作面开采，分别存在以下缺点：
(1)采高容重法：估算结果区间大，适用采高小，误差较大。
(2)砌体梁与台阶岩梁法：没有充分考虑工作面倾向支架载荷分区与上煤层垮落顶板载荷，不能直接加以应用。
(3)工程类比分析法：各工作面开采条件不同，支架选型不完全适用。
综上所述，现有技术中，存在单一煤层开采中支护阻力的确定方法，不能应用于的大倾角煤层群下工作面开采中支护阻力的确定的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，用以解决现有技术中存在单一煤层开采中支护阻力的确定方法不能应用于大倾角煤层群下工作面开采中支护阻力的确定的问题。
本发明实施例提供一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，包括：
通过分析大倾角煤层群下煤层工作面顶板的倾向结构特征和走向结构特征，将工作面倾向结构载荷进行分区；其中，工作面倾向结构载荷分区特征，包括：上区欠充填，顶板悬空，载荷较小；中区全充填，垮落顶板压实，载荷最大；下部全充填，覆载高，结构稳定；
根据工作面倾向结构载荷分区特征中工作面中区载荷最大特征，建立顶板结构分析模型；
根据顶板结构分析模型和砌体梁结构分析方法，通过公式(111)，确定工作面中区支架工作阻力；
根据工作面中区支架工作阻力和支架支护效率，通过公式(222)，确定大倾角煤层群下工作面支护阻力；
所述公式(111)如下所示：
Pm1＝[m0lkρ0g+h1lkρ1g+0.66(h+0.6l)lρ1g]bcosα
所述公式(222)如下所示：
其中，Pm1为工作面中区支架工作阻力；m0为顶煤厚度；lk为支架控顶距；ρ0g为煤体容重；h1为直接顶厚度；ρ1g为间隔层容重；h为层间关键层厚度；l为层间关键块走向长度；b为支架宽度；α为煤层倾角；Pe1为工作面支护阻力；μ为支架支护效率。
较佳地，所述大倾角煤层群下煤层工作面顶板的倾向结构特征，包括：沿工作面倾向支架顶压总体上呈现中上部大，两端小的分布形态；下煤层工作面覆岩运动明显，上煤层垮落顶板充分破断，无法形成铰接结构，主要表现为静载；由于间隔层顶板较薄，沿工作面倾向不能形成有效的铰接结构，可看作均布载荷作用于工作面支架，工作面中部顶板垮落充分，形成较大载荷。
较佳地，所述大倾角煤层群下煤层工作面顶板的走向结构特征，包括：在工作面走向推进过程中，初次垮落发生在工作面中上部，形成椭球体垮落；周期垮落呈现“周期性弧形岩条”结构，主要垮落区位于工作面中上部，走向岩条形成的铰接结构失稳造成周期来压。
较佳地，本发明实施例提供一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，，还包括：根据支架自稳特征，确定支架维持自稳的初撑力；所述支架维持自稳的初撑力，通过下式确定：
其中，P0为支架维持自稳的初撑力；为支架与顶煤间的摩擦系数；为支架与底板间的摩擦系数；Gs为支架的自重。
较佳地，本发明实施例提供一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，还包括：根据支架维持自稳的初撑力为工作面支护阻力的75％，确定大倾角煤层群下煤层工作面上区支架防滑的工作阻力；所述大倾角煤层群下煤层工作面上区支架防滑的工作阻力，通过下式确定：
其中，Pe0为大倾角煤层群下煤层工作面上区支架防滑的工作阻力。
较佳地，所述支架支护效率取0.9。
本发明实施例中，提供一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，与现有技术相比，其有益效果为：本发明的目的是为大倾角煤层群上煤层采空区下的下煤层走向长壁综放开采提供一种工作面支架支护阻力的确定方法，为工作面支架的合理选型提供新技术。本发明紧密结合大倾角煤层群下工作面顶板结构与支架载荷分区特征，建立大倾角煤层群下工作面综放开采支架受力与顶板结构力学模型，确定工作面合理的支护阻力，可为类似工作面开采支架选型提供借鉴。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法流程图；
图2为本发明实施例提供的工作面顶板倾向垮落结构；
图3为本发明实施例提供的模拟工作面支架载荷分布曲线图；
图4为本发明实施例提供的下煤层工作面顶板垮落结构形态俯视图；
图5为本发明实施例提供的采空区顶板垮落结构侧视图；
图6为本发明实施例提供的下煤层开采顶板倾向结构模型；
图7为本发明实施例提供的上区支架受力图；
图8为本发明实施例提供的下煤层工作面中区走向顶板结构。
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大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法。如图1所示，该方法包括：
步骤S101，通过分析大倾角煤层群下煤层工作面顶板的倾向结构特征和走向结构特征，将工作面倾向结构载荷进行分区；其中，工作面倾向结构载荷分区特征，包括：上区欠充填，顶板悬空，载荷较小；中区全充填，垮落顶板压实，载荷最大；下部全充填，覆载高，结构稳定。
步骤S101中工作面顶板的倾向结构特征，具体如下：
受重复采动影响，下煤层工作面覆岩运动明显。煤层开采后形成较大空间，上煤层垮落顶板充分破断，无法形成铰接结构，主要表现为静载。由于间隔层顶板较薄，沿工作面倾向不能形成有效的铰接结构，可看作均布载荷作用于工作面支架。工作面中部顶板垮落充分，形成较大载荷，如图2所示。
沿工作面倾向支架顶压总体上呈现中上部大，两端小的分布形态，如图3所示，图中横坐标0表示工作面下部。载荷分布规律与顶板垮落结构运动一致，即工作面中上部顶板下沉最剧烈，压力较为明显。
大倾角煤层群下工作面综放开采过程中，采场支架在支撑顶煤和间隔层直接顶重量的同时，还需承受上煤层垮落顶板的压力。若支架的支护阻力偏小，支架与顶底板的摩擦阻力小，可能导致支架下滑；若支架的支护阻力过大，支架的自重和成本增大。因此，需要研究合理的支护阻力，科学确定架型。
步骤S101中工作面顶板的走向结构特征，具体如下：
大倾角煤层工作面不仅有倾向的运动，也有走向的破断，属于立体问题。因此，开展立体相似模拟，模型底面用可拆卸工作面开挖条实现每次开挖，顶板载荷层用可活动沙袋模拟，以便观察顶板破断空间形态。
立体模拟得出，工作面走向推进过程中，初次垮落发生在工作面中上部，形成椭球体垮落；周期垮落呈现“周期性弧形岩条”结构，主要垮落区位于工作面中上部(如图4所示)，走向岩条形成的铰接结构失稳造成周期来压。沿倾向顶板发生两次折断(如图4和图5所示)，折断位置决定岩块长度与工作面倾向载荷分布。
步骤S101中倾向结构载荷分区特征，具体如下：
根据图2和图6，大倾角近距离煤层群下煤层开采时，采空区中部和下部充满，上部冒空，顶板载荷沿倾向的大小可划分为工作面上区、中区和下区(如图6所示)。工作面沿倾向不同区域(上区、中区、下区)支架载荷有不同特征：a、上区欠充填，顶板悬空，载荷较小；b、中部全充填，垮落顶板压实，载荷高；c、下部全充填，覆载高，结构稳定。其中，m1为上煤层采高，m；m2为下煤层采高，m；Σh为间隔层厚度，m；α为煤层倾角。
定义垂直于支架顶梁的载荷为“顶压”，支架间沿煤层倾向传递的载荷为“侧压”，则工作面支架顶压和侧压在不同区域具有不同特点。如图6所示，工作面上区载荷不大，呈“三角形”分布，顶板压力较小，该区主要是防止支架自重侧滑。因此，上区支架需满足初撑力自稳条件，即支架初撑力形成的与顶底板的摩擦阻力大于支架自重下滑力。工作面中区垮落顶板高度最大，支架承受顶压最大，中区支架主要是额定工作阻力需要大于顶压，维护好顶板。工作面下区充填程度最好，顶板结构稳定，支架受力不大。满足上区的初撑力条件和中区的额定工作阻力条件的支架，在下区均可满足。
较佳地，本发明实施例提供一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，还包括：根据支架自稳特征，确定支架维持自稳的初撑力。
需要说明的是，根据模拟实验及理论分析，工作面上区垮落顶板沿倾向呈“三角区”分布，顶板载荷较小，主要考虑工作面支架防止下滑。支架受力分析如图7所示，其中，P0为支架维持自稳的初撑力，kN；Gs为支架的自重，kN；N为底板对支架的支持力，kN；F1为顶煤对支架的摩擦阻力，kN；F2为底板对支架的摩擦阻力，kN。
N＝P0+Gscosα (1)
上式中，为支架与顶煤间的摩擦系数，为支架与底板间的摩擦系数。
支架维持自稳需满足：
F1+F2≥Gssinα (4)
由式(1)～(4)得：
较佳地，本发明实施例提供一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，还包括：根据支架维持自稳的初撑力为工作面支护阻力的75％，确定大倾角煤层群下煤层工作面上区支架防滑的工作阻力。
需要说明的是，初撑力与额定工作阻力存在合理比例关系，初撑力为额定工作阻力的75％，考虑支架支护效率μ(一般取0.9)，则大倾角煤层群下煤层工作面上区支架防滑的工作阻力Pe0为：
步骤S102，根据工作面倾向结构载荷分区特征中工作面中区载荷最大特征，建立顶板结构分析模型。
需要说明的是，根据前述研究结果，工作面中区支架载荷最大，支架工作阻力的确定应当以工作面中区的顶板结构为准，建立顶板结构模型如图8所示。其中，m0为顶煤厚度，m；h1为直接顶厚度，m；h为层间关键层厚度，m；l为层间关键块走向长度，m；β为垮落顶板垮落角；θ1为关键块回转角。
步骤S103，根据顶板结构分析模型和砌体梁结构分析方法，通过公式(111)，确定工作面中区支架工作阻力。
需要说明的是，借鉴砌体梁结构分析方法，支架工作阻力Pm1，可由下式计算：
Pm1＝(W0+W1+R)cosα (7)
W0＝m0blkρ0g (8)
W1＝h1blkρ1g (9)
其中，W0为顶煤的重量，kN；W1为直接顶重量，kN；R为层间关键层及其上覆岩层传递载荷，kN；ρ0g为煤体容重，kN/m3；ρ1g为间隔层容重，kN/m3；为关键块摩擦因数，可取0.5；i为关键块块度；P1为关键块及其上覆岩层载荷，kN，由下式确定：
由式(7)～(11)得：
根据大倾角煤层群下工作面一般开采条件，若取i＝0.4，θ1＝3°，顶板垮落角β＝50°，则上式简化为：
Pm1＝[m0lkρ0g+h1lkρ1g+0.66(h+0.6l)lρ1g]bcosα (111)
步骤S104，根据工作面中区支架工作阻力和支架支护效率，通过公式(222)，确定大倾角煤层群下工作面支护阻力。
考虑支架支护效率μ，则支护工作面中区顶板所需额定工作阻力Pe1为：
需要说明的是，本发明中的大倾角煤层群下工作面支护阻力即为支护工作面中区顶板所需额定工作阻力。
综上分析，大倾角煤层群下煤层开采，液压支架初撑力需满足自稳条件，额定工作阻力需满足支护中区顶板压力的要求。若取α＝30°～55°， Gs＝130kN，μ＝0.9，带入公式(6)得工作面上区防止支架下滑的工作阻力Pe0≤183.2kN。可见，大倾角工作面支架维持自稳的工作阻力一般不大，主要以支护工作面中区顶板条件确定，即合理的支护阻力由式(222)确定。
需要说明的是，本发明的目的是为大倾角煤层群上煤层采空区下的下煤层走向长壁综放开采提供一种工作面支架支护阻力的确定方法，为工作面支架的合理选型提供新技术。本发明紧密结合大倾角煤层群下工作面顶板结构与支架载荷分区特征，建立大倾角煤层群下工作面综放开采支架受力与顶板结构力学模型，确定工作面合理的支护阻力，可为类似工作面开采支架选型提供借鉴。
本发明提供的工程实例：
大黄山煤矿主采39、41号煤层，煤层平均厚度分别为5.17m和7.2m，平均倾角51°，煤层平均间距15m。先采用走向长壁综采一次采全高采煤法开采顶部39号煤层，再采用走向长壁综放采煤法开采41号煤层。41号煤层工作面割煤高度2.6m，放顶煤高度4.6m，工作面中部选用ZFS5200/17/32低位放顶煤液压支架，支架主要技术参数见表1。
表1ZFS5200/17/32放顶煤液压支架主要技术参数
根据工作面开采条件，确定各计算参数为：m0＝4.6m；ρ0g＝13kN/m3；ρ1g＝23kN/m3；b＝1.5m；lk＝4.18m；α＝51°；β＝50°；h1＝8.4m；h＝6.6m；l＝16m。将上述参数带入公式(222)，得：
Pe1＝5235kN
开采实践表明，41号煤工作面采用的额定工作阻力为5200kN/架的液压支架适用性良好。理论计算结果与工程实践所得结论基本相符。由此可见，本专利所确定的大倾角煤层群下工作面支护阻力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)

1.一种大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，其特征在于，包括：
通过分析大倾角煤层群下煤层工作面顶板的倾向结构特征和走向结构特征，将工作面倾向结构载荷进行分区；其中，工作面倾向结构载荷分区特征，包括：上区欠充填，顶板悬空，载荷较小；中区全充填，垮落顶板压实，载荷最大；下部全充填，覆载高，结构稳定；
根据工作面倾向结构载荷分区特征中工作面中区载荷最大特征，建立顶板结构分析模型；
根据顶板结构分析模型和砌体梁结构分析方法，通过公式(一)，确定工作面中区支架工作阻力；
根据工作面中区支架工作阻力和支架支护效率，通过公式(二)，确定大倾角煤层群下工作面支护阻力；
所述公式(一)如下所示：
Pm1＝[m0lkρ0g+h1lkρ1g+0.66(h+0.6l)lρ1g]bcosα
所述公式(二)如下所示：
其中，Pm1为工作面中区支架工作阻力；m0为顶煤厚度；lk为支架控顶距；ρ0g为煤体容重；h1为直接顶厚度；ρ1g为间隔层容重；h为层间关键层厚度；l为层间关键块走向长度；b为支架宽度；α为煤层倾角；Pe1为工作面支护阻力；μ为支架支护效率。
2.如权利要求1所述的大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，其特征在于，大倾角煤层群下煤层工作面顶板的倾向结构特征，包括：沿工作面倾向支架顶压总体上呈现中上部大，两端小的分布形态；下煤层工作面覆岩运动明显，上煤层垮落顶板充分破断，无法形成铰接结构，主要表现为静载；由于间隔层顶板较薄，沿工作面倾向不能形成有效的铰接结构，能看作均布载荷作用于工作面支架，工作面中部顶板垮落充分，形成较大载荷。
3.如权利要求1所述的大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，其特征在于，大倾角煤层群下煤层工作面顶板的走向结构特征，包括：在工作面走向推进过程中，初次垮落发生在工作面中上部，形成椭球体垮落；周期垮落呈现“周期性弧形岩条”结构，主要垮落区位于工作面中上部，走向岩条形成的铰接结构失稳造成周期来压。
4.如权利要求1所述的大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，其特征在于，还包括：根据支架自稳特征，确定支架维持自稳的初撑力；所述支架维持自稳的初撑力，通过下式确定：
其中，P0为支架维持自稳的初撑力；为支架与顶煤间的摩擦系数；为支架与底板间的摩擦系数；Gs为支架的自重。
5.如权利要求4所述的大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，其特征在于，还包括：根据支架维持自稳的初撑力为工作面支护阻力的75％，确定大倾角煤层群下煤层工作面上区支架防滑的工作阻力；所述大倾角煤层群下煤层工作面上区支架防滑的工作阻力，通过下式确定：
其中，Pe0为大倾角煤层群下煤层工作面上区支架防滑的工作阻力。
6.如权利要求5所述的大倾角煤层群下工作面支护阻力的确定方法，其特征在于，所述支架支护效率取0.9。
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