CN111255495B - 一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开采的支架选型方法 - Google Patents
一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开采的支架选型方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开采的支架选型方法，先确定矿井类型并确定对应类型的支架工作阻力采煤循环最大值；将最大值基于动静载叠加原理分成动载阻力值与静载阻力值，并分别确定所处的动载强度等级和静载强度等级；进而初步确定所需的支架类型，并获得其额定工作阻力；然后结合急倾斜特厚煤层来压特点，综合考虑基于老顶破断时，多个块体之间、块体与直接顶冒落矸石之间形成搭接结构导致应力分布的不均匀性计算顶煤及上一分层残留顶煤和采空区部分冒落矸石的载荷、直接顶载荷、基本顶产生的载荷，由此确定支架实际最大工作阻力；实际值与额定值比较后确定支架选型；最后经过校验完成选型工作；从而有效保证矿井的安全生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种支架选型方法，具体是一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开采的支架 选型方法。
背景技术
水平分段综采放顶煤开采是先进的急倾斜特厚煤层开采技术，在许多矿区应用取得了 良好的技术经济效果。近年来，随开采深度的增加和开采强度的增大，急倾斜特厚煤层由 于其煤层埋藏条件和开采方式的特殊，导致了严重的冲击地压显现，且该类冲击地压具有 覆岩运动结构的特殊性和复杂性，严重影响了矿井的安全生产。
目前工作面液压支架选型设计的确定办法主要针对单一缓倾斜煤层开采，急倾斜特厚 煤层水平分段开采工作面液压支架选型主要以工程类比的方法进行。此类方法根据工程经 验，选取若干个固定的影响因素进行工程类比评价，进而确定液压支架选型设计方案，忽 略了急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶破断时，多个块体之间、块体与直接顶冒落矸石之 间形成搭接结构导致应力分布不均匀、工作面中部上方老顶岩块受到铰接点及直接顶冒落 矸石的共同支撑作用并将部分应力传递到顶煤及支架上对工作面开采的影响。因此，单一 缓倾斜煤层开采过程中支架选型设计的方法不能应用于急倾斜特厚煤层水平分段开采中支 架选型设计，因此如何提供一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开采的支架选型方法，能根 据急倾斜特厚煤层的特点经过计算后确定相应的支架型号，从而保证矿井的安全生产，是 本行业的研究方向。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开采的 支架选型方法，能根据急倾斜特厚煤层的特点经过计算后确定相应的支架型号，并能对确 定的支架型号进行动载校验，最终有效保证矿井的安全生产。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开 采的支架选型方法，具体步骤为：
步骤一、确定所需支架的矿井类型并确定对应类型的支架工作阻力采煤循环最大值： 将矿井分类成已投产矿井、新建矿井且其周围具有相似地质条件的已投产矿井和新建矿井 且其周围无参照的已投产矿井；
其中对于已投产矿井，采用压力监测手段获取当前矿井投产时间内的支架工作阻力采 煤循环最大值；对于新建矿井且其周围具有相似地质条件的已投产矿井，采用压力监测手 段获取周围已投产矿井投产时间内的支架工作阻力采煤循环最大值；对于新建矿井且其周 围无参照的已投产矿井，分析新建矿井覆岩结构，取其8倍采高岩体重量计算得到支架工 作阻力最大值；
步骤二、将获取支架工作阻力最大值，基于动静载叠加原理分成动载阻力值与静载阻 力值，并根据动载阻力值与静载阻力值分别确定所处的动载强度等级和静载强度等级；最 后根据动载强度等级和静载强度等级的情况初步确定所需的支架类型；
步骤三、将步骤二选择的支架类型支护到矿井后，先确定该支架类型的额定工作阻力， 并计算该支架类型来压阶段的支架承受的载荷：确定水平分层综放工作面支架上的载荷由 顶煤载荷及上一分层残留顶煤和采空区部分冒落矸石的载荷、直接顶载荷和基本顶载荷共 同组成；基本顶断裂后迅速下沉，以冲击载荷的形式作用于支架，此时支架承担的载荷最 大，来压阶段支架承受的载荷R为：
R＝RI+RT+KdRP
其中，RI为顶煤及上一分层残留顶煤和采空区部分冒落矸石的静载荷、RT为直接顶载 荷；RP为基本顶产生的载荷，Kd为动载系数；
步骤四、根据地质资料和开采条件计算得顶煤静载荷R1和直接顶垮落的静载荷RT为
其中，煤的平均体积力γm＝14kN/m3，岩石的平均体积力γ＝25kN/m3；Hd为顶煤厚度； HZ为直接顶垮落的岩石厚度；
步骤五、当开采深度加大后，覆岩上方形成拱形支撑结构，此时支架仅需承载拱形支 撑结构下方的煤岩重量；因此，结合工作面实际情况进行重新估算支架所承担的静载荷RI为
P＝RI·lk·b
式中，P为支架的工作阻力；lk为控顶距；b为支架宽度；计算支架静载荷时，按照最小控顶距进行计算，保证安全性；
步骤六、确定采空区冒落矸石的重量RL，具体计算过程为：
RL＝RI-R1
其中，R1为顶煤静载荷；RI为步骤五得出的静载荷；
步骤七、当直接顶垮落后不能形成承载结构时，其重量由顶煤传递至支架承载；其上 方老顶破断后形成铰接承载结构；最不利的条件为老顶破断后即失稳形成冲击，所形成的 静载荷RP：
RP＝∑Hiγ
岩石的平均体积力γ＝25kN/m3；Hi为上覆煤岩的厚度；
步骤八、将步骤四至步骤七获得的数据代入步骤三中，得出来压阶段支架承受的载荷R， 然后根据如下公式得出支架实际承受的最大工作阻力：
P＝R·lkl·b
式中，P为支架的工作阻力；lkl为最大控顶距；b为支架中心距；
将得出的实际承受最大工作阻力乘以偏载系数后与步骤三中该支架型号的额定工作阻 力进行比较，若实际承受的最大工作阻力值未超过该支架型号的额定工作阻力的20％，则 确定该支架型号能满足防冲安全开采的需要；
步骤九、对确定的支架型号进行基于底板矿震动载的支架工作阻力校验，若符合校验 要求，则最终确定支架选型及额定载荷的数值；若不符合校验要求，则重新确定支架型号， 并重复步骤三至九，直至校验符合要求。
进一步，根据动载强度等级和静载强度等级的情况初步确定所需的支架类型，具体过 程为：由于已知动载强度和静载强度均分为高等级和低等级；将获取的动载阻力值与静载 阻力值分级后：
①若动载强度和静载强度均为低等级，则采用两柱型掩护式支架；
②若动载强度为高等级、静载强度为低等级或动载强度为低等级、静载强度为高等级， 则采用两柱型支撑掩护式支架；
③若动载强度和静载强度均为高等级，则采用四柱型支撑掩护式支架
进一步，所述步骤九中基于底板矿震动载的支架工作阻力校验具体为：
根据应力波理论，震动波产生的动载荷与介质密度、纵横波波速与质点峰值振动速度 相关，震动波引起的纵横波动载计算为
式中：σdP为P波产生的动载，ρ为介质密度，CP为P波传播速度，vpp为质点由P波 引起的质点峰值振动速度，σdS为P波产生的动载，CS为P波传播速度，vps为质点由S波 引起的质点峰值振动速度；
根据煤矿井下震动波传播规律原位试验，质点峰值速度随传播距离增大，按幂函数规 律衰减，煤矿井下震动波峰值速度衰减规律为：
ν0(L)＝ν0,maxL-1.526
其中v0，max为质点峰值振动速度；L为质点峰值速度的传播距离，采用横波波速进行计 算；根据煤矿不同能级矿震的动载峰值速度的对应关系，最终得出横波波速的最大值，然 后根据该最大值，按照已知的动静叠加载荷，得出震动波作用下的支架实际所受的工作阻 力值，若该值未超过该支架型号的额定工作阻力，则确定该支架型号能满足防冲安全开采 的需要；若不符合校验要求，则重新确定支架型号，并重复步骤三至九，直至校验符合要求。
进一步，所述步骤九中还包括采用已知的抗扭校验方法对选定的支架型号进行校验， 若符合校验要求，则最终确定支架选型及额定载荷的数值；若不符合校验要求，则重新确 定支架型号，并重复步骤三至九，直至校验符合要求。
与现有技术相比，本发明为工作面支架的安全合理选型设计提供新方法；本发明提出 老顶破断时，多个块体之间、块体与直接顶冒落矸石之间形成搭接支撑结构，并将老顶破 断形成的冲击动载定义为最大动载荷而不是直接顶破断形成的冲击动载，结合动静载叠加 原理计算支架工作阻力，基于底板矿震动载对支架工作阻力进行校验，对受偏载力支架进 行受力分析并进行支架抗扭校验，从而确定急倾斜特厚煤层水平分段开采支架受力的力学 模型，合理的对工作面支架进行选型设计，最终有效保证矿井的安全生产；同时为类似工 作面支架的选型提供借鉴。
附图说明
图1是本发明的工作流程图；
图2是本发明中老顶断裂动载荷示意图。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
实施例：如图1至图2所示，某矿转入深部开采后，矿压显现明显增强，五采区使用的液压支架明显表现出支撑力不够、载荷易超限、支架易压死的情况。该采区当前采用支架的额定支撑力4800kN。对该工作面采用本发明进行支架选型设计。实施步骤如下：
步骤一、采用压力表监测工作面支架工作阻力的技术措施对5521-20工作面液压支架工 作阻力进行监测，经分析，得到割煤循环最大工作阻力，作为五采区支架选型计算提供依 据。
步骤二、由于该矿矿压显现具有瞬时顶板冲击来压的特点，来压阶段矿压显现强烈， 因此宜选用支撑能力较强的正四连杆支撑掩护式放顶煤支架。
步骤三、水平分层综放工作面支架上的载荷由顶煤载荷，上一分层残留顶煤和采空区 部分冒落矸石的载荷及上覆岩层的部分载荷共同组成。基本顶断裂后迅速下沉，以冲击载 荷的形式作用于支架，此时支架承担的载荷最大，来压阶段支架承受的载荷R为：
R＝RI+RT+KdRP (1)
其中，RI为顶煤及上一分层残留顶煤和采空区部分冒落矸石的载荷、RT为直接顶载荷； RP为基本顶产生的载荷，Kd为动载系数。
步骤四、5521-20工作面分段厚度为14.5m，采高2.8m，放煤11.7m，采放比约为1：4。根据工作面柱状图，直接顶包括2.3m细砂岩、6.68m油页岩、1.77m的煤，老顶为9.82m 的铝质泥岩，其上方易垮落岩层为3.33m油页岩。因此顶煤静载荷R1和直接顶垮落的静载 荷RT可以计算为：
其中，煤的平均体积力γm＝14kN/m3，岩石的平均体积力γ＝25kN/m3；将数值代入计算 可得顶煤静载荷R1＝0.164MPa，直接顶垮落静载荷RP＝0.269MPa。
步骤五、根据该矿5521-20工作面支架压力实测数据，工作面支架在无动载扰动时立柱 平均液压为22.3MPa。该载荷即为支架上方顶煤和直接顶垮落行成的静载荷，根据已知的 工作面支架支撑力计算公式可得，当支柱液压达到22.3MPa时(不考虑支架内部的不平衡 性)，单个立柱的支撑力为700.6kN，液压支架的支撑力(即支架的工作阻力)为2802.3kN。 因此支架所承担的静载荷RI通过下式计算：
P＝RI·lk·b (3)
式中，P为支架的工作阻力；lk为控顶距；b为支架宽度。
步骤六、由于支架宽度为1.5m，考虑架间距0.1m，支架宽度计算为1.6m；控顶距为3.8m，考虑端面距0.34m，支架长度计算为4.14m(最小控顶距)。为了安全起见，按最小 控顶距计算时，可得到较大的冒矸高度，因此在计算支架静载荷时，按照最小控顶距进行 计算。当支架的支撑力为2802.3kN，支架所承担的静载荷RI为0.423MPa。因此，采空区冒 落矸石的重量RL为：
RL＝RI-R1 (4)
计算可得RL＝0.259MPa。
步骤七、顶板岩层断裂常表现为突然瞬间破坏，并伴随震动波传播。岩层瞬间断裂时， 相当于将与断面应力相平衡的力突然加载到支护体和煤体上形成冲击载荷。采用公式(1) 进行动载荷计算，对于式中的动载系数，矿山应用中Kd取1～2，由于老顶破断时，将形成 铰接结构且采空区矸石也将对老顶起到支撑缓冲作用，因此Kd取1.5。由式(2)，最不利的条件为老顶破断后即失稳形成冲击，所形成的静载荷：
RP＝∑Hiγ (5)
因此，老顶及附加岩层垮落后形成的静载荷为0.698MPa。
步骤八、当五采区下一步计划分段厚度达到20m时，采放比1:6，顶煤厚度约为17.2m， 顶煤载荷为0.241MPa。此时，可计算得到来压阶段支架所需承受的载荷R＝1.56MPa，
此时，支架所对应的工作阻力可以计算为
P＝R·lkl·b (6)
式中，P为支架的工作阻力；lkl为最大控顶距4.74m；b为支架中心距1.6m。
根据式(6)，当支架载荷为1.56MPa时，支架工作阻力为11831kN。考虑偏载系数1.1， 则所需支架工作阻力为13014kN。考虑到瞬时动载作用下支架载荷允许超过设计最大载荷 的10％～20％，综合以上分析，五采区液压支架额定工作阻力优化设计12000kN，可满足防 冲安全开采的需要。
步骤九、据应力波理论，震动波产生的动载荷与介质密度、纵横波波速与质点峰值振 动速度相关，震动波引起的纵横波动载可用下式进行计算：
式中：σdP为P波产生的动载，ρ为介质密度，CP为P波传播速度，vpp为质点由P波 引起的质点峰值振动速度，σdS为P波产生的动载，CS为P波传播速度，vps为质点由S波 引起的质点峰值振动速度。
上式中，由于波速相对稳定，煤体的介质密度也近似采用常量计算，故震动波产生的 动载荷主要与工作面处质点峰值振动速度相关。
根据煤矿井下震动波传播规律原位试验，质点峰值速度随传播距离增大，按幂函数规 律衰减，煤矿井下震动波峰值速度衰减规律为：
ν0(L)＝ν0,maxL-1.526 (8)
根据煤矿不同能级矿震的动载峰值速度的对应关系106J级震动峰值震动速度为12m/s 进行计算。由于高能量矿震横波振幅远比纵波大，采用横波波速进行估算，横波波速取该 矿横波波速2480m/s。计算得震动波作用下动静叠加载荷为11365kN，该优化设计支架选型 满足要求。
最终优化选定液压支架工作阻力为12000kN正四连杆支撑掩护式放顶煤支架。
Claims (4)
1.一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开采的支架选型方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一、确定所需支架的矿井类型并确定对应类型的支架工作阻力采煤循环最大值：将矿井分类成已投产矿井、新建矿井且其周围具有相似地质条件的已投产矿井和新建矿井且其周围无参照的已投产矿井；
其中对于已投产矿井，采用压力监测手段获取当前矿井投产时间内的支架工作阻力采煤循环最大值；对于新建矿井且其周围具有相似地质条件的已投产矿井，采用压力监测手段获取周围已投产矿井投产时间内的支架工作阻力采煤循环最大值；对于新建矿井且其周围无参照的已投产矿井，分析新建矿井覆岩结构，取其8倍采高岩体重量计算得到支架工作阻力最大值；
步骤二、将获取的支架工作阻力最大值，基于动静载叠加原理分成动载阻力值与静载阻力值，并根据动载阻力值与静载阻力值分别确定所处的动载强度等级和静载强度等级；最后根据动载强度等级和静载强度等级的情况初步确定所需的支架类型；
步骤三、将步骤二选择的支架类型支护到矿井后，先确定该支架类型的额定工作阻力，并计算该支架类型来压阶段的支架承受的载荷：确定水平分层综放工作面支架上的载荷由顶煤及上一分层残留顶煤和采空区部分冒落矸石的静载荷、直接顶载荷和基本顶载荷共同组成；基本顶断裂后迅速下沉，以冲击载荷的形式作用于支架，此时支架承担的载荷最大，来压阶段支架承受的载荷R为：
R＝RI+RT+KdRP
其中，RI为顶煤及上一分层残留顶煤和采空区部分冒落矸石的静载荷、RT为直接顶垮落的静载荷；RP为基本顶产生的载荷，Kd为动载系数；
步骤四、根据地质资料和开采条件计算得顶煤静载荷R1和直接顶垮落的静载荷RT为
其中，煤的平均体积力γm＝14kN/m3，岩石的平均体积力γ＝25kN/m3；Hd为顶煤厚度；HZ为直接顶垮落的岩石厚度；
步骤五、当开采深度加大后，覆岩上方形成拱形支撑结构，此时支架仅需承载拱形支撑结构下方的煤岩重量；因此，结合工作面实际情况进行重新估算支架所承担的顶煤及上一分层残留顶煤和采空区部分冒落矸石的静载荷RI为
P＝RI·lk·b
式中，P为支架的工作阻力；lk为控顶距；b为支架宽度；计算支架静载荷时，按照最小控顶距进行计算，保证安全性；
步骤六、确定采空区冒落矸石的重量RL，具体计算过程为：
RL＝RI-R1
其中，R1为顶煤静载荷；RI为步骤五得出的静载荷；
步骤七、当直接顶垮落后不能形成承载结构时，其重量由顶煤传递至支架承载；其上方老顶破断后形成铰接承载结构；最不利的条件为老顶破断后即失稳形成冲击，所形成的静载荷RP：
RP＝∑Hiγ
岩石的平均体积力γ＝25kN/m3；Hi为上覆煤岩的厚度；
步骤八、将步骤四至步骤七获得的数据代入步骤三中，得出来压阶段支架承受的载荷R，然后根据如下公式得出支架实际承受的最大工作阻力：
P＝R·lkl·b
式中，P为支架的工作阻力；lkl为最大控顶距；b为支架中心距；
将得出的实际承受最大工作阻力乘以偏载系数后与步骤三中该型号支架的额定工作阻力进行比较，若实际承受的最大工作阻力值未超过该型号支架的额定工作阻力的20％，则确定该型号支架能满足防冲安全开采的需要；
步骤九、对确定型号的支架进行基于底板矿震动载的支架工作阻力校验，若符合校验要求，则最终确定支架选型及额定载荷的数值；若不符合校验要求，则重新确定支架型号，并重复步骤三至九，直至校验符合要求。
2.根据权利要求1所述的一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开采的支架选型方法，其特征在于，根据动载强度等级和静载强度等级的情况初步确定所需的支架类型，具体过程为：由于已知动载强度和静载强度均分为高等级和低等级；将获取的动载阻力值与静载阻力值分级后：
①若动载强度和静载强度均为低等级，则采用两柱型掩护式支架；
②若动载强度为高等级、静载强度为低等级或动载强度为低等级、静载强度为高等级，则采用两柱型支撑掩护式支架；
③若动载强度和静载强度均为高等级，则采用四柱型支撑掩护式支架。
3.根据权利要求1所述的一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开采的支架选型方法，其特征在于，所述步骤九中基于底板矿震动载的支架工作阻力校验具体为：
根据应力波理论，震动波产生的动载荷与介质密度、纵横波波速与质点峰值振动速度相关，震动波引起的纵横波动载计算为
式中：σdP为P波产生的动载，ρ为介质密度，CP为P波传播速度，vpp为质点由P波引起的质点峰值振动速度，σdS为S波产生的动载，CS为S波传播速度，vps为质点由S波引起的质点峰值振动速度；
根据煤矿井下震动波传播规律原位试验，质点峰值速度随传播距离增大，按幂函数规律衰减，煤矿井下震动波峰值速度衰减规律为：
ν0(L)＝ν0,maxL-1.526
其中v0，max为质点峰值振动速度；L为质点峰值速度的传播距离，采用横波波速进行计算；根据煤矿不同能级矿震的动载峰值速度的对应关系，最终得出横波波速的最大值，然后根据该最大值，按照已知的动静叠加载荷，得出震动波作用下的支架实际所受的工作阻力值，若该值未超过该型号支架的额定工作阻力，则确定该型号支架能满足防冲安全开采的需要；若不符合校验要求，则重新确定支架型号，并重复步骤三至九，直至校验符合要求。
4.根据权利要求1所述的一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开采的支架选型方法，其特征在于，所述步骤九中还包括采用已知的抗扭校验方法对选定型号的支架进行校验，若符合校验要求，则最终确定支架选型及额定载荷的数值；若不符合校验要求，则重新确定支架型号，并重复步骤三至九，直至校验符合要求。
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