CN113435045A - 一种急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法，包括：确定煤层参数；以铰接岩块结构形成时间为时间界限，将覆岩垮落特征分为开采初期和开采后期两个阶段；构建对应的支架和围岩结构模型；分析两个阶段的液压支架支护强度，计算急倾斜煤层水平分段开采初期阶段和开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下顶板巷一侧和底板巷一侧液压支架的合理工作阻力。本发明提供的计算方法更能准确地表征实际生产中支架的受力状态，该方法对于急倾斜煤层水平分段开采工作面液压支架选型，保证生产高效安全具有重要价值。同时也为该开采条件下回采工作面顶板管理提供了新的理论分析和计算支持。

Description

一种急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法

技术领域

本发明涉及技术领域，具体而言涉及一种急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法。

背景技术

急倾斜煤层是指埋藏倾角大于45°的煤层，集中于西部地区，占到了我国煤炭储量的10％，该类煤层常用水平分段开采的方式。水平分段开采大大提高了急倾斜煤层的开采效率，但随着分段开采上部采空空间越来越大，顶板岩层会向采空区侧的偏移垮落，使得岩层控制难度加大，影响矿井安全生产。

现有的工作面支架工作阻力计算方法，有经验公式估算法、岩石容重法以及工程类比法，但这些计算方法往往适用于煤层赋存角度较小的水平或近水平煤层。急倾斜煤层赋存结构特殊，尤其是在水平分段开采条件下覆岩结构在不同开采分段有着不同的特征，传统的支架工作阻力计算方法应用到急倾斜煤层开采存在误差较大、没有考虑结构变化的缺点，已经适用性不强。因此一套合理的基于急倾斜煤层水平分段开采时覆岩结构变化的支架工作阻力计算方法，对于指导该开采条件下支架选型控制岩层稳定从而保证安全开采具有重要意义。

专利号为CN107220470A的发明中公开了一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法，通过考虑大倾角煤层工作面与近水平煤层工作面垮落顶板结构的差异，分析倾向垮落顶板结构与支架载荷分布特征，转化为走向方向均布载荷；将顶板倾向结构与走向结构结合，分析直接顶、关键层及其覆载对支架的传力机制，确定工作面合理的支架载荷。目前尚未有只针对大倾角煤层工作面自身，同时考虑开采过程中煤层变化的开采支架工作阻力计算方法。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法，更能准确地表征实际生产中支架的受力状态，对于急倾斜煤层水平分段开采工作面液压支架选型，保证生产高效安全具有重要价值，同时也为该开采条件下回采工作面顶板管理提供了新的理论分析和计算支持。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提出了一种急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法，所述工作阻力计算方法包括以下步骤：

步骤一：确定包括煤层倾角、采煤方法、采高、放顶煤高度、顶板岩石容重和直接顶厚度在内的煤层参数；

步骤二：以铰接岩块结构形成时间为时间界限，将覆岩垮落特征分为开采初期和开采后期两个阶段；

步骤三：分别针对开采初期和开采后期，根据煤层开采时的结构特征，构建对应的支架和围岩结构模型；开采初期，在底板巷一侧，工作面液压支架所受载荷来自顶煤的重量以及采空区垮落煤矸石的重量；在顶板巷一侧，工作面液压支架所受载荷来自顶煤的重量、采空区垮落煤矸石的重量和顶板悬臂梁的应力；开采后期，当结构失稳时，工作面顶板巷一侧液压支架和底板巷一侧液压支架在原载荷的基础上，增加结构失稳导致的覆岩垮落的压力，且开采后期采空区垮落煤矸石的厚度取值小于开采初期采空区垮落煤矸石的厚度取值；

步骤四：分别根据开采初期和开采后期的支架和围岩结构模型，分析两个阶段的液压支架支护强度，并且计算得到急倾斜煤层水平分段开采初期阶段和开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下顶板巷一侧和底板巷一侧的液压支架的合理工作阻力。

可选地，步骤四中，根据下述公式计算开采初期阶段顶板巷一侧液压支架的合理工作阻力为：

式中：P₁是开采初期阶段的液压支架支护强度；q_A为工作面上方顶煤的自重应力，q_B为采空区垮落煤矸石的自重应力，q_C为顶板悬臂梁的应力；k₁为安全系数，取值在1.0-1.5之间；k₂为顶板动载系数，取值在1.0-1.5之间；k₃为衰减系数，取值在0.5-0.8之间；h₂为采空区垮落煤矸石的堆积厚度，单位是m；k₄为岩石的碎涨系数，取值在1.1-1.3之间；l为悬臂梁长度，单位是m；b为支架中心距，单位是m；λ₁为顶煤容重，单位是kN/m³；h₁为顶煤厚度，单位是m；L为支架顶梁长度，单位是m；k_s为支架支撑效率；λ₂是煤矸石的容重，单位是kN/m³；α为煤层倾角。

可选地，步骤四中，根据下述公式计算开采初期阶段底板巷一侧液压支架的合理工作阻力为：

可选地，步骤四中，根据下述公式计算开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下的顶板巷一侧液压支架的合理工作阻力为：

F_2-2＝F_1-1+Qsin²α

式中，Q为上覆岩层的压力，α为煤层倾角。

可选地，步骤四中，根据下述公式计算开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下的底板巷一侧液压支架的合理工作阻力为：

F_2-3＝F_1-2+Qsin²α。

可选地，所述工作阻力计算方法还包括以下步骤：

步骤五：根据计算得到的开采初期阶段顶板巷一侧和底板巷一侧液压支架的合理工作阻力，以及开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下顶板巷一侧和底板巷一侧液压支架的合理工作阻力，确定工作面支架工作阻力变化范围；

步骤六：结合工作面支架工作阻力变化范围，进行工作面液压支架选型和来压特征分析。

第二方面，本发明实施例提出了一种急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算装置，所述工作阻力计算装置包括：

煤层参数确定模块，用于确定包括煤层倾角、采煤方法、采高、放顶煤高度、顶板岩石容重和直接顶厚度在内的煤层参数；

阶段划分模块，用于以铰接岩块结构形成时间为时间界限，将覆岩垮落特征分为开采初期和开采后期两个阶段；

结构模型构建模块，用于分别针对开采初期和开采后期，根据煤层开采时的结构特征，构建对应的支架和围岩的结构模型；开采初期，在底板巷一侧，工作面液压支架所受载荷来自顶煤的重量以及采空区垮落煤矸石的重量；在顶板巷一侧，工作面液压支架所受载荷来自顶煤的重量、采空区垮落煤矸石的重量和顶板悬臂梁的应力；开采后期，当结构失稳时，工作面顶板巷一侧液压支架和底板巷一侧液压支架在原载荷的基础上，增加结构失稳导致的覆岩垮落的压力，且开采后期采空区垮落煤矸石的厚度取值小于开采初期采空区垮落煤矸石的厚度取值；

工作阻力分析模块，用于分别根据开采初期和开采后期的支架和围岩的结构模型，分析两个阶段的液压支架支护强度，并且计算得到急倾斜煤层水平分段开采初期阶段和开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下、顶板巷一侧和底板巷一侧的液压支架的合理工作阻力。

可选地，所述工作阻力计算装置还包括：

结构模型验证模块，用于根据煤层变化对构建的开采初期和开采后期进行验证。

可选地，所述工作阻力计算装置还包括：

工作阻力变化范围确定模块，用于根据计算得到的开采初期阶段顶板巷一侧和底板巷一侧的液压支架的合理工作阻力，以及开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下的顶板巷一侧和底板巷一侧的液压支架的合理工作阻力，确定工作面支架工作阻力变化范围；

应用模块，用于结合工作面支架工作阻力变化范围，进行工作面液压支架选型和来压特征分析。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于急倾斜煤层水平分段开采时覆岩结构变化支架工作阻力计算方法。与现有技术相比，本发明将急倾斜煤层水平分段开采以顶板铰接岩块的形成为时间界限，分为开采初期和后期来计算支架工作阻力。在开采的初期阶段，上覆岩层中存在压力拱结构，压力拱的存在将上覆岩层的载荷向采空区上下两侧转移，维持了上覆岩层的平衡稳定。工作面的支架所受载荷来自顶煤、垮落煤矸石以及顶板载荷。分别给出了顶板侧支架和底板侧支架工作阻力的计算公式。在开采后期阶段，覆岩垮落总是以悬臂梁的形式旋转破断，覆岩载荷越大、悬臂越长，悬臂梁积聚的弯曲变形能越大，破断时造成的影响也越大。铰接岩块结构在稳定状态下，工作面液压支架只受顶煤、采空区煤矸石和顶板载荷的作用。铰接岩块结构失稳状态下，工作面支架还要承受结构失稳后的覆岩垮落的压力。分别给出了铰接岩块稳定以及失稳时支架工作阻力的计算公式。本发明提供的计算方法更能准确地表征实际生产中支架的受力状态，该方法对于急倾斜煤层水平分段开采工作面液压支架选型，保证生产高效安全具有重要价值。同时也为该开采条件下回采工作面顶板管理提供了新的理论分析和计算支持。

附图说明

图1为本发明实施例的基于急急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法的流程示意图。

图2为本发明实施例开采初期压力拱结构模型图。

图3本发明实施例开采初期支架与围岩相互作用关系。

图4本发明实施例开采初期顶板来压受力分析图。

图5本发明实施例开采后期铰接岩块结构模型图。

图6本发明实施例开采后期铰接岩块局部受力分析图。

图7本发明实施例开采后期铰接岩块结构失稳时的受力分析图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一

图1为本发明实施例的基于急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法的流程示意图。本实施例可适用于通过服务器等设备计算急倾斜煤层水平分段开采支架工作阻力的情况，该方法可以由基于急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算装置来执行，该装置可以采用软件和/或硬件的方式实现，并可集成在电子设备中，例如集成服务器设备中。

参见图1，该工作阻力计算方法包括以下步骤：

步骤一：确定包括煤层倾角、采煤方法、采高、放顶煤高度、顶板岩石容重和直接顶厚度在内的煤层参数。

步骤二：以铰接岩块结构形成时间为时间界限，将覆岩垮落特征分为开采初期和开采后期两个阶段。

步骤三：分别针对开采初期和开采后期，根据煤层开采时的结构特征，构建对应的支架和围岩结构模型；开采初期，在底板巷一侧，工作面液压支架所受载荷来自顶煤的重量以及采空区垮落煤矸石的重量；在顶板巷一侧，工作面液压支架所受载荷来自顶煤的重量、采空区垮落煤矸石的重量和顶板悬臂梁的应力；开采后期，当结构失稳时，工作面顶板巷一侧液压支架和底板巷一侧液压支架在原载荷的基础上，增加结构失稳导致的覆岩垮落的压力，且开采后期采空区垮落煤矸石的厚度取值小于开采初期采空区垮落煤矸石的厚度取值。

步骤四：分别根据开采初期和开采后期的支架和围岩结构模型，分析两个阶段的液压支架支护强度，并且计算得到急倾斜煤层水平分段开采初期阶段和开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下顶板巷一侧和底板巷一侧的液压支架的合理工作阻力。

示例性地，工作阻力计算方法还包括以下步骤：

步骤五：根据计算得到的开采初期阶段顶板巷一侧和底板巷一侧液压支架的合理工作阻力，以及开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下的顶板巷一侧和底板巷一侧液压支架的合理工作阻力，确定工作面支架工作阻力变化范围。

步骤六：结合工作面支架工作阻力变化范围，进行工作面液压支架选型和来压特征分析。

在急倾斜煤层水平分段开采过程中，以铰接岩块结构形成为时间界限，将覆岩垮落特征分为开采初期和开采后期两个阶段分别进行阐述。

1)开采初期支架工作阻力计算

在急倾斜特厚煤层水平分段开采的初期阶段，工作面液压支架所受载荷主要来自顶煤的重量以及采空区垮落煤矸石的重量，但在顶板巷一侧，支架还将受到顶板载荷的作用，将支架与围岩的结构模型继续简化可得开采初期阶段的液压支架支护强度的计算公式(1)为：

P₁＝k₁(q_A+q_B)+k₂q_C (1)

式中：q_A为工作面上方顶煤的自重应力，q_B为采空区垮落煤矸石的自重应力，q_C为顶板悬臂梁的应力，k₁为安全系数，通常取值在1.0-1.5之间，k₂为顶板动载系数，取值在1.0-1.5之间。

煤矸石的自重并不会完全作用在工作面液压支架上，自重应力向下传递的时候会逐渐衰减，所以采空区垮落的破碎煤矸石的自重应力可表示为：

q_B＝k₃λ₂h₂/k₄ (2)

式中：k₃为衰减系数，通常取值在0.5-0.8之间，λ₂为采空区煤矸石容重，单位为kN/m³，h₂为采空区垮落煤矸石的堆积厚度，单位为m，k₄为岩石的碎涨系数，通常取值在1.1-1.3之间。

除了顶煤和垮落煤矸石，工作面的支架所受载荷还有一部分来自顶板悬臂梁，将顶板巷一侧的支架与围岩相互作用的结构做受力分析，从中可以得到：

式中：l为悬臂梁长度，单位是m，b为支架中心距，单位是m。

由式(3)，当其他条件一定时，随着煤层倾角的增大，顶板悬臂梁对支架的影响越来越小，当煤层倾角在45°时，顶板巷一侧的液压支架的支护强度在0.28MPa左右，当煤层倾角增大到90°的时候，顶板悬臂梁对支架无影响，符合实际情况。

将公式(3)、(2)同时代入公式(1)，可得急倾斜煤层水平分段开采初期阶段顶板巷一侧的液压支架支护强度计算公式为：

式中：λ₁为顶煤容重，单位为kN/m₃，h₁为顶煤厚度，单位为m。

由此可以得出急倾斜煤层水平分段开采初期阶段顶板巷一侧液压支架的合理工作阻力的计算公式：

式中：L为支架顶梁长度，单位为m；k_s为支架支撑效率。

其中急倾斜煤层水平分段开采初期阶段底板巷一侧液压支架的合理工作阻力的计算公式：

2)开采后期支架工作阻力计算

开采后期，顶板破断岩块就会在倾斜方向上相互铰接，形成铰接岩块结构。铰接岩块结构在稳定状态下，像是一把保护伞将上覆岩层的载荷传递到了顶底板中，对工作面的液压支架起到了保护作用，这种状态下，工作面液压支架所受载荷同开挖的初期阶段类似，只受顶煤、采空区煤矸石和顶板载荷的作用。因此，此时支架的合理工作阻力F_2-1＝F_1-1：

在铰接岩块C的法向分力的作用下，采空区岩块C与底板之间垮落的破碎煤矸石被压实，同时这些铰接岩块还阻止了上覆岩层垮落后继续向采空区下部滑移，此时只有很少的破碎煤矸石可以滑落至工作面顶煤上方，所以此时采空区垮落煤矸石的厚度h2的取值要比之前开采初期阶段小得多。

当结构失稳的时候，覆岩垮落形成的铰接岩块结构消失，岩块随机垮落在采空区，形成新的结构，此时将垮落的岩块单独取出进行受力分析，可以看出，铰接岩块结构失稳之后，本来作用在铰接岩块结构上方的覆岩会随着结构的失稳滑落至采空区工作面顶煤的上方，此时工作面液压支架将失去结构的保护，此时支架不仅要承载顶煤、煤矸石和顶板来压，同时还要承受结构失稳后的覆岩垮落的压力。受力分析可以知道，当把岩块和上覆岩层的压力Q沿法向和倾向分解后，上覆岩层的压力沿法向方向的分力还是直接作用到了底板上，对工作面没有影响，而沿倾向方向的分力刚好沿平行于顶底板的方向作用到工作面顶煤上方，开挖后期阶段铰接岩块结构失稳状态下工作面顶板巷一侧支架的合理工作阻力的计算公式可以表示为：

其中急倾斜煤层水平分段开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下底板巷一侧液压支架的合理工作阻力的计算公式：

本发明提供了一种基于急倾斜煤层水平分段开采时覆岩结构变化的支架工作阻力计算新方法。与现有技术相比，本发明将急倾斜煤层水平分段开采以顶板铰接岩块的形成为时间界限，分为开采初期和后期来计算支架工作阻力。

在开采的初期阶段，上覆岩层中存在压力拱结构，压力拱的存在将上覆岩层的载荷向采空区上下两侧转移，维持了上覆岩层的平衡稳定。工作面的支架所受载荷来自顶煤、垮落煤矸石以及顶板载荷。分别给出了顶板侧支架和底板侧支架工作阻力的计算公式。

在开采后期阶段，覆岩垮落总是以悬臂梁的形式旋转破断，覆岩载荷越大、悬臂越长，悬臂梁积聚的弯曲变形能越大，破断时造成的影响也越大。铰接岩块结构在稳定状态下，工作面液压支架只受顶煤、采空区煤矸石和顶板载荷的作用。铰接岩块结构失稳状态下，工作面支架还要承受结构失稳后覆岩垮落的压力。分别给出了铰接岩块稳定以及失稳时支架工作阻力的计算公式。

本发明提供的计算方法更能准确地表征实际生产中支架的受力状态，该方法对于急倾斜煤层水平分段开采工作面液压支架选型，保证生产高效安全具有重要价值。同时也为该开采条件下回采工作面顶板管理提供了新的理论分析和计算支持。

以益门煤矿作为工程背景，益门煤矿采煤工作面采用水平分段放顶煤开采，对1212工作面支架进行参数确定、选型以及支架工作阻力现场监测。

1)支护强度计算及支架选型

(1)支架支护强度

根据前文分析，工作面在不同的开采阶段以及液压支架所处位置的不同都会对支架的支护强度和工作阻力造成影响，现在就上述不同工况分别计算支架的支护强度和工作阻力。

工况一，开挖的初期阶段液压支架的支护强度和工作阻力为：

F＝P×3.4×1÷0.85

由上式，支护强度是煤层倾角的减函数，益门煤矿煤层倾角最小30°，此时可计算出支架支护强度为0.35MPa，工作阻力为1400kN。

工况二，开挖的初期阶段底板巷一侧的液压支架的支护强度和工作阻力为：

P＝1.1×(15×10³×12.5+0.6×25×10³×20÷1.2)＝0.48MPa

F＝P×3.4×1÷0.85＝1920KN

工况三，开挖后期阶段铰接岩块结构失稳时顶板巷一侧支架的支护强度和工作阻力为：

F＝P×3.4×1÷0.85＝1800KN

工况四，开挖后期阶段铰接岩块结构失稳时底板巷一侧支架的支护强度和工作阻力为：

F＝P×3.4×1÷0.85＝1720KN

(2)支架高度确定

工作面采高H为2.5m，支架最大结构高度H_max取2.6m，最小结构高度H_min取1.6m。

(3)液压支架选型

由上述计算，液压支架选用ZF2600/16/26型低位放顶煤液压支架。支架参数见表1。

表1 ZF2600/16/26液压支架的主要参数

2)实测工作面来压特征分析

1212工作面液压支架选用ZF2600/16/26型低位放顶煤液压支架。通过观测工作面液压支架的支护阻力，分析确定工作面顶板来压步距，进而掌握工作面矿山压力显现规律、液压支架的承载特性和支护质量。

根据现场的实际情况，沿面长方向在工作面两端头及中部三个部位布置测区。采用GPD60(A)型矿用本安型压力传感器自动采集压力，对益门煤矿1212工作面液压支架支柱的初撑力及工作阻力进行观测

实测结果表明，工作面1号测线初撑力在500KN以上平均占54.05％；工作面2号测线初撑力在500KN以上占68.47％；工作面3号测线初撑力在500KN以上的占72.73％。因此，液压支架的初撑力能够满足工作面支护要求。

实测支架平均支护强为：初始支护强度p0＝0.16MPa，循环末支护强度pm＝0.28MPa，时间加权平均支护强度pt＝0.22MPa，支护强度满足工作面支护顶板的要求；实测支架平均最大支护强度为：最大初始支护强度p0max＝0.32MPa，最大循环末支护强度pmmax＝0.45MPa，最大时间加权平均支护强度ptmax＝0.31MPa，液压支架的支护强度设计平均值为0.49MPa，最大支护强度实测结果与理论计算偏差较小，液压支架支护强度应用充分且未超限。

实施例二

本发明实施例提出了一种急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算装置，该工作阻力计算装置包括煤层参数确定模块、阶段划分模块、结构模型构建模块和阻力分析模块。

煤层参数确定模块，用于确定包括煤层倾角、采煤方法、采高、放顶煤高度、顶板岩石容重和直接顶厚度在内的煤层参数。

阶段划分模块，用于以铰接岩块结构形成时间为时间界限，将覆岩垮落特征分为开采初期和开采后期两个阶段。

结构模型构建模块，用于分别针对开采初期和开采后期，根据煤层开采时的结构特征，构建对应的支架和围岩的结构模型；开采初期，在底板巷一侧，工作面液压支架所受载荷来自顶煤的重量以及采空区垮落煤矸石的重量；在顶板巷一侧，工作面液压支架所受载荷来自顶煤的重量、采空区垮落煤矸石的重量和顶板悬臂梁的应力；开采后期，当结构失稳时，工作面顶板巷一侧液压支架和底板巷一侧液压支架在原载荷的基础上，增加结构失稳导致的覆岩垮落的压力，且开采后期采空区垮落煤矸石的厚度取值小于开采初期采空区垮落煤矸石的的厚度取值。

工作阻力分析模块，用于分别根据开采初期和开采后期的支架和围岩的结构模型，分析两个阶段的液压支架支护强度，并且计算得到急倾斜煤层水平分段开采初期阶段和开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下、顶板巷一侧和底板巷一侧的液压支架的合理工作阻力。

可选地，该工作阻力计算装置还包括结构模型验证模块；该结构模型验证模块用于根据煤层变化对构建的开采初期和开采后期进行验证。

可选地，该工作阻力计算装置还包括阻力变化范围确定模块和应用模块。

阻力变化范围确定模块，用于根据计算得到的开采初期阶段项板巷一侧和底板巷一侧的液压支架的合理工作阻力，以及开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下的顶板巷一侧和底板巷一侧的液压支架的合理工作阻力，确定工作面支架工作阻力变化范围。

应用模块，用于结合工作面支架工作阻力变化范围，进行工作面液压支架选型和来压特征分析。

通过本发明实施例二的工作阻力计算装置，通过建立整个应用的数据包含关系确定传输对象，达到计算急倾斜煤层水平分段开采支架工作阻力的目标。本发明实施例所提供的计算装置可执行本发明任意实施例所提供的急倾斜煤层水平分段开采支架工作阻力计算方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法，其特征在于，所述工作阻力计算方法包括以下步骤：

步骤一：确定包括煤层倾角、采煤方法、采高、放顶煤高度、顶板岩石容重和直接顶厚度在内的煤层参数；

步骤二：以铰接岩块结构形成时间为时间界限，将覆岩垮落特征分为开采初期和开采后期两个阶段；

步骤三：分别针对开采初期和开采后期，根据煤层开采时的结构特征，构建对应的支架和围岩结构模型；开采初期，在底板巷一侧，工作面液压支架所受载荷来自顶煤的重量以及采空区垮落煤矸石的重量；在顶板巷一侧，工作面液压支架所受载荷来自顶煤的重量、采空区垮落煤矸石的重量和顶板悬臂梁的应力；开采后期，当结构失稳时，工作面顶板巷一侧液压支架和底板巷一侧液压支架在原载荷的基础上，增加结构失稳导致的覆岩垮落压力，且开采后期采空区垮落煤矸石的厚度取值小于开采初期采空区垮落煤矸石的厚度取值；

步骤四：分别根据开采初期和开采后期的支架和围岩结构模型，分析两个阶段的液压支架支护强度，并且计算得到急倾斜煤层水平分段开采初期阶段和开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下顶板巷一侧和底板巷一侧液压支架的合理工作阻力。

2.根据权利要求1所述的急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法，其特征在于，步骤四中，根据下述公式计算开采初期阶段顶板巷一侧液压支架的合理工作阻力为：

式中：P₁是开采初期阶段的液压支架支护强度；q_A为工作面上方顶煤的自重应力，q_B为采空区垮落煤矸石的自重应力，q_C为顶板悬臂梁的应力；k₁为安全系数，取值在1.0-1.5之间；k₂为顶板动载系数，取值在1.0-1.5之间；k₃为衰减系数，取值在0.5-0.8之间；h₂为采空区垮落煤矸石的堆积厚度，单位是m；k₄为岩石的碎涨系数，取值在1.1-1.3之间；l为悬臂梁长度，单位是m；b为支架中心距，单位是m；λ₁为顶煤容重，单位是kN/m³；h₁为顶煤厚度，单位是m；L为支架顶梁长度，单位是m；k_s为支架支撑效率；λ₂是煤矸石的容重，单位是kN/m³；α为煤层倾角。

3.根据权利要求2所述的急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法，其特征在于，步骤四中，根据下述公式计算开采初期阶段底板巷一侧液压支架的合理工作阻力为：

4.根据权利要求1或者2所述的急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法，其特征在于，步骤四中，根据下述公式计算开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下顶板巷一侧液压支架的合理工作阻力为：

F_2-2＝F_1-1+Qsin²α

式中，Q为上覆岩层的压力，α为煤层倾角。

5.根据权利要求4所述的急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法，其特征在于，步骤四中，根据下述公式计算开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下底板巷一侧液压支架的合理工作阻力为：

F_2-3＝F_1-2+Qsin²α。

6.根据权利要求1所述的急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算方法，其特征在于，所述工作阻力计算方法还包括以下步骤：

步骤五：根据计算得到的开采初期阶段顶板巷一侧和底板巷一侧液压支架的合理工作阻力，以及开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下顶板巷一侧和底板巷一侧的液压支架的合理工作阻力，确定工作面支架工作阻力变化范围；

步骤六：结合工作面支架工作阻力变化范围，进行工作面液压支架选型和来压特征分析。

7.一种急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算装置，其特征在于，所述工作阻力计算装置包括：

煤层参数确定模块，用于确定包括煤层倾角、采煤方法、采高、放顶煤高度、顶板岩石容重和直接顶厚度在内的煤层参数；

阶段划分模块，用于以铰接岩块结构形成时间为时间界限，将覆岩垮落特征分为开采初期和开采后期两个阶段；

结构模型构建模块，用于分别针对开采初期和开采后期，根据煤层开采时的结构特征，构建对应的支架和围岩结构模型；开采初期，在底板巷一侧，工作面液压支架所受载荷来自顶煤的重量以及采空区垮落煤矸石的重量；在顶板巷一侧，工作面液压支架所受载荷来自顶煤的重量、采空区垮落煤矸石的重量和顶板悬臂梁的应力；开采后期，当结构失稳时，工作面顶板巷一侧液压支架和底板巷一侧液压支架在原载荷的基础上，增加结构失稳导致的覆岩垮落的压力，且开采后期采空区垮落煤矸石的厚度取值小于开采初期采空区垮落煤矸石的的厚度取值；

工作阻力分析模块，用于分别根据开采初期和开采后期的支架和围岩结构模型，分析两个阶段的液压支架支护强度，并且计算得到急倾斜煤层水平分段开采初期阶段和开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下顶板巷一侧和底板巷一侧的液压支架的合理工作阻力。

8.根据权利要求7所述的急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算装置，其特征在于，所述工作阻力计算装置还包括：

结构模型验证模块，用于根据煤层厚度变化对构建的开采初期和开采后期进行验证。

9.根据权利要求7所述的急倾斜煤层水平分段综放开采支架工作阻力计算装置，其特征在于，所述工作阻力计算装置还包括：

工作阻力变化范围确定模块，用于根据计算得到的开采初期阶段顶板巷一侧和底板巷一侧液压支架的合理工作阻力，以及开采后期阶段铰接岩块结构失稳状态下顶板巷一侧和底板巷一侧液压支架的合理工作阻力，确定工作面支架工作阻力变化范围；

应用模块，用于结合工作面支架工作阻力变化范围，进行工作面液压支架选型和来压特征分析。

Images