CN115034071B - 一种煤层群开采工作面液压支架工作阻力确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种煤层群开采工作面液压支架工作阻力确定方法，包括如下步骤：a、确定覆岩内关键层数量及其具体层位；b、划分顶板结构；c、基于关键层周期断裂步距，确定与亚关键层1存在相互影响的关键层；d、确定各关键层的破断形式以及破断岩块之间的铰接类型；e、确定影响工作面周期来压且协同破断的关键层数量；f、计算周期来压期间工作面支架所受载荷；g.取1.2～1.5P_z作为液压支架的合理工作阻力，对液压支架进行合理选型。本发明可为煤层开采工作面顶板控制、液压支架选型及额定工作阻力确定提供参考和借鉴，避免发生压架冒顶事故，降低矿井综采设备总投资，保障矿井安全高效开采。

Description

一种煤层群开采工作面液压支架工作阻力确定方法

技术领域

本发明属于煤炭开采领域，具体涉及一种煤层群开采工作面液压支架工作阻力确定方法。

背景技术

确定液压支架类型与额定工作阻力是综采工作面布置前需考虑的首要问题，若选用液压支架的工作阻力偏低，来压期间极易发生压架冒顶事故。为避免此类情况发生，许多矿井被动选用额定工作阻力较大的液压支架，虽可在一定程度上保证生产安全，但液压支架重量与综采设备总投资也随之显著增加，既降低生产效率又增加了经济成本。同时，液压支架额定工作阻力超过一定范围后继续增大并不会对顶板下沉量产生显著影响，甚至有可能破坏顶板的整体性，增加控顶难度。因此，应确保工作面液压支架的工作阻力处于合理范围内，既可在来压期间提供足够的支撑力有效控制顶板，避免发生台阶下沉，同时又不浪费支架的“能力”，避免“大材小用”。

支架工作阻力的确定方法目前主要有查表法、经验公式法、类比法、理论计算法和数值模拟法，其中查表法仅适用于采高小于4m的缓倾斜煤层工作面；经验公式法根据采高的若干倍估算液压支架所受载荷，适用于采高较小的采场；类比法是指参照类似开采条件工作面的矿压显现情况，通过对比分析确定支架的额定工作阻力，但当矿井地质条件特殊或周边无已开采矿井时则无法使用；理论计算法以关键层理论为主要基础，通过建立悬臂梁、砌体梁等岩块力学模型计算支架载荷，虽涉及参数较多、计算难度较大，但计算结果较为准确；数值模拟法可模拟支架不同支护强度的控顶效果，进而确定支架的合理工作阻力。现阶段，以理论计算法与数值模拟法应用最为广泛。

目前，国内外学者针对覆岩关键层破断形式及运移规律对液压支架所受荷载的影响已开展广泛研究，提出了多种覆岩关键层结构与开采条件下液压支架工作阻力的确定方法，但有关影响煤层群开采工作面周期来压的关键层数量如何确定、邻近关键层协同破断的判别方法、下位关键层不同破断形式对协同破断效应的影响以及适用于不同覆岩关键层结构与开采条件的支架载荷通用计算方法等内容却鲜有涉及。

发明内容

本发明针对煤层群开采工作面液压支架选型与工作阻力确定的难题，提出了一种基于周期来压期间覆岩关键层结构确定煤层开采工作面液压支架工作阻力确定方法，适用于煤层开采工作面顶板控制、支架选型与额定工作阻力确定；

具体步骤如下：

a、确定待开采工作面覆岩内关键层的数量及其具体层位；

b、将来压期间工作面顶板结构划分为主关键层结构、亚关键层1结构、局部多关键层结构、所有关键层结构；

c、基于覆岩内各关键层的周期断裂步距，确定所有与亚关键层1存在相互影响的关键层；其中，亚关键层m的周期断裂步距以下式计算：

式中，L_m为亚关键层m的周期断裂步距，h_m为亚关键层m的厚度，q_m为亚关键层m所受载荷，R_mT为亚关键层m的极限抗拉强度；主关键层的周期断裂步距参考上式计算；

亚关键层m+1的破断运移对亚关键层m无影响的判别条件为：

h_j≥L_m·cotβ

式中，h_j为亚关键层m+1与亚关键层m的法向间距，β为岩层断裂线与垂直方向夹角；

d、确定覆岩内各关键层的破断形式以及破断岩块之间的铰接类型；

其中，亚关键层m以铰接岩梁形态破断的判别条件为：

式中，W_m为亚关键层m断裂岩块的绝对回转量，M为开采高度，K_p为直接顶的碎胀系数，h₀为直接顶厚度，K_x为各软弱岩层组的碎胀系数，∑h₁～∑h_m为各亚关键层控制的软弱岩层组的厚度，σ_mc为亚关键层m断裂岩块的抗压强度；

若不满足上述公式条件，则该亚关键层m将以悬臂梁的形式破断；主关键层破断形式的判别方式也采用上述公式；对于以铰接岩梁形态破断的关键层，继续依据“S-R”稳定理论判别其属于砌体梁、非稳定砌体梁、台阶岩梁中的哪种铰接类型；

e、若在步骤c中判定上部关键层断裂将对亚关键层1产生影响，则继续根据邻近关键层协同破断判别条件确定影响工作面周期来压且协同破断的关键层数量；

当亚关键层1以悬臂梁形态破断时，与上位关键层存在协同破断效应的判别条件为：

当亚关键层1以铰接岩梁形态破断时，与上位关键层存在协同破断效应的判别条件为：

以上两式中，l₁为亚关键层1上次断裂位置至上位关键层断裂延长线的水平距离，采用下式计算，式中L₁、L₂采用步骤c中关于L_m的公式计算；

R_1T为亚关键层1的极限抗拉强度，P为液压支架提供的支护阻力，L_k为液压支架的控顶距，q₁为亚关键层1所受载荷；

q_z1为亚关键层1断裂岩块与其上部控制软弱岩层组的重量之和，通过下式计算，式中b为液压支架宽度：

q_z1＝l₁b(h₁γ₁+∑h₁γ)

Q₂为上位关键层断裂岩块的传递载荷，具体由载荷传递系数k_x×q_z2计算求得，q_z2的计算方法参照上式，k_x的计算方法见下式：

式中，k₁、k₂、k₃、k₄分别为悬臂梁、砌体梁、非稳定砌体梁、台阶岩梁结构的载荷传递系数，α为岩层的破断角，为岩层的内摩擦角；

R、T为断裂岩块铰接处所受的剪切力与水平推力，根据铰接岩块的受力平衡条件联立方程组求解；a为断裂岩块端角挤压接触面高度，通过下式计算：

a＝0.5(h₁-L₁ sinθ₁)

同时参考上述公式继续判断更上位的关键层是否与其下位的关键层产生协同破断；

f、计算周期来压期间工作面支架所受载荷；

主关键层结构支架载荷P_z的计算式为：

亚关键层1结构支架载荷P_z的计算式为：

P_z＝(L_k+0.5h₀ cotα)h₀bγ+k_xL₁bγ(h₁+Σh₁)

式中，为主关键层上方载荷层的内摩擦角；

局部多关键层结构和所有关键层结构支架载荷P_z的计算式为：

P_z＝(L_k+0.5h₀cotα)h₀bγ+k_x[l₁bγ(h₁+Σh₁)+k_x(…+k_xP_m)]

式中，P_m为亚关键层m断裂岩块自重和与之协同下沉变形的软弱岩层组重量之和；

所有关键层结构P_m的计算式为：

局部多关键层结构P_m的计算式为：

P_m＝L_mbγ(h_m+Σh_m)；

g.取1.2～1.5P_z作为液压支架工作阻力的合理工作阻力，对液压支架进行合理选型。

有益效果：本发明提出的基于周期来压期间覆岩关键层结构判别进而确定煤层开采工作面液压支架合理工作的方法基本符合工程现场实际情况，可为煤层开采工作面顶板控制、液压支架选型及工作阻力确定提供参考和借鉴，避免发生压架冒顶事故，降低矿井综采设备总投资，保障矿井安全高效开采。

具体实施方式

一种煤层群开采工作面液压支架工作阻力确定方法，包括如下步骤：

A、依据关键层判别条件确定工作面覆岩内关键层的数量及其具体层位；

关键层判别条件可参照《矿山压力与岩层控制》中给出的判别条件，即

式中，q_n、q_n+1分别为自下而上第n、n+1层岩层对第1层坚硬岩层形成的载荷，l_j、l_j+1分别为自下而上第j、j+1个关键层的断裂步距；

若工作面上覆岩层内存在多个关键层，本领域通常将最接近于煤层开采工作面的关键层称为亚关键层1，其余关键层自下而上依次称为亚关键层2、亚关键层3……，最上部的关键层称为主关键层，将与各亚关键层协同下沉变形的相对软弱岩层依次称为软弱岩层组1、软弱岩层组2、软弱岩层组3……(比如软弱岩层组1位于亚关键层1之上亚关键层2之下)，与主关键层协同下沉变形的岩层称为载荷层，与主关键层协同下沉变形的岩层直达地表。

本发明的一种煤层群开采工作面液压支架工作阻力确定方法，不仅可以适用于单一煤层，还可以适用于煤层群开采，对于采用下行式开采顺序的煤层群，下煤层工作面覆岩内关键层的数量及层位包含上煤层开采期间已发生破断的关键层(已破断关键层的岩块之间仍保持水平力的联系，受到下煤层开采扰动后，岩块间仍可彼此铰接形成结构)。

煤层群开采时对于覆岩内存在采空区的工作面，在根据步骤A确定覆岩内关键层的数量及其具体层位时，将上煤层开采期间已发生破断关键层仍视为关键层，主要是由于已破断关键层的岩块之间仍然保持着水平力的联系，受到下煤层开采扰动后，岩块间仍可彼此铰接形成结构并控制软弱岩层组随之同步运移。因此，本发明提出的一种确定工作面液压支架工作阻力的方法完全适用于煤层群开采情况。

B、根据影响工作面周期来压的关键层数量及其具体层位以及关键层的协同破断情况，将来压期间工作面顶板结构划分为单一关键层结构、多关键层结构两种基本类型，并在此基础上将单一关键层结构划分为主关键层结构、亚关键层1结构两种类型，将多关键层结构划分为局部多关键层结构、所有关键层结构两种类型；

此处，主关键层结构是指工作面上覆岩层内仅存在一层关键层的工况，此时工作面覆岩内不存在亚关键层；即当工作面覆岩内仅存在一层关键层时，为主关键层结构。上位关键层的破断运移对亚关键层1的影响程度分为三种情况：①无影响；②亚关键层1受到影响但不会发生同步破断；③亚关键层1受到影响且与上位关键层同步破断，即两关键层存在协同破断效应。本专利中符合①②两种情况的煤层开采工作面周期来压期间顶板结构属于单一关键层结构，符合情况第③种情况的煤层开采工作面周期来压期间顶板结构属于多关键层结构。

C、基于覆岩内各关键层的周期断裂步距，确定所有与亚关键层1存在相互影响的关键层；

此处，上位关键层破断运移对亚关键层1产生影响包含两种情况，即上文中的第②、③种情况：②亚关键层1受到影响但与上位关键层不发生同步破断；③亚关键层1受到影响且与上位关键层同步破断；

1)亚关键层m(m≥1)的周期断裂步距以下式计算：

式中，L_m为亚关键层m的周期断裂步距，h_m为亚关键层m的厚度，q_m为亚关键层m所受载荷，R_mT为亚关键层m的极限抗拉强度(可通过巴西劈裂试验测定)；此处L_m的计算不考虑相邻关键层之间的影响；

主关键层的周期断裂步距也可以参考上式计算；

其中，q_m可参照《矿山压力与岩层控制》一书中给出的公式进行计算，即

式中，E_m为亚关键层m的弹性模量，h_m为亚关键层m的厚度，γ_m为亚关键层m的容重，E_m1～E_mn为亚关键层m上方第i层岩层的弹性模量，d₁～d_n为亚关键层m上方第i层岩层的厚度，γ_m1～γ_mn为亚关键层m上方第i层岩层的容重(i＝1，2，…，n)；

2)亚关键层m+1的破断运移对亚关键层m无影响的判别条件为：

h_j≥L_m·cotβ

式中，h_j为亚关键层m+1与亚关键层m的垂直间距(法向距离)，β为岩层断裂线与垂直方向的夹角(一般取15°)；

具体判断时，首先确定亚关键层2是否对亚关键层1产生影响，若影响则继续判断亚关键层3是否对亚关键层2产生影响，如此直至判断出不影响的关键层或者判断完覆岩内所有的关键层；

D、确定覆岩内各关键层的破断形式以及破断岩块之间的铰接类型；

1)自下而上，从亚关键层1开始判别覆岩内各关键层的破断形式；

由于岩体具有碎胀性，关键层断裂岩块的可回转空间自下而上逐步减小，因此当确定某一关键层以铰接岩梁形态破断时，则上部关键层必定均以铰接岩梁形态破断，亚关键层m以铰接岩梁形态破断的判别条件为：

式中，W_m为亚关键层m断裂岩块的绝对回转量，M为开采高度，K_p为直接顶的碎胀系数(一般取值1.3)，h₀为直接顶厚度，K_x为软弱岩层组的碎胀系数(取值范围1.1～1.3)，∑h₁～∑h_m为各亚关键层控制的软弱岩层组的厚度，σ_mc为亚关键层m断裂岩块的抗压强度(通过单轴压缩试验测定)；

若不满足上述公式条件，则该亚关键层m将以悬臂梁的形式破断；主关键层的破断形式的判别方式也采用上述公式；

2)对于以铰接岩梁形态破断的关键层，继续依据“S-R”稳定理论判别具体的铰接类型(参考《矿山压力与岩层控制》)，判别条件如下：

式中，i_m为断裂岩块的高长比，γ为岩层平均容重(一般取25kN/m³)，θ_m为亚关键层m断裂岩块的回转角，通过下式计算确定：

θ_m＝arcsin(W_m/L_m)

E、若在步骤C中判定上部关键层断裂将对亚关键层1产生影响，则继续根据邻近关键层协同破断判别条件确定影响工作面周期来压且协同破断的关键层数量；

1)当亚关键层1以悬臂梁形态破断时，与上位关键层间存在协同破断效应的判别条件为：

当亚关键层1以铰接岩梁形态破断时，与上位关键层间存在协同破断效应的判别条件为：

以上两式中，l₁为亚关键层1上次断裂位置至上位关键层断裂延长线的水平距离，采用下式计算，此处的L₁、L₂采用步骤C中关于L_m的公式计算；

R_1T为亚关键层1的极限抗拉强度，P为液压支架提供的支护阻力，L_k为液压支架的控顶距，q₁为亚关键层1所受载荷；

q_z1为亚关键层1断裂岩块与其上部控制软弱岩层组的重量之和，通过下式计算(式中b为液压支架宽度)：

q_z1＝l₁b(h₁γ₁+∑h₁γ)

Q₂为上位关键层断裂岩块的传递载荷，具体由载荷传递系数k_x×q_z2计算求得，q_z2的计算方法参照上式，k_x的计算方法见下式：

式中，k₁、k₂、k₃、k₄分别为悬臂梁、砌体梁、非稳定砌体梁、台阶岩梁结构的载荷传递系数，α为岩层的破断角(一般可取值75°)，为岩层的内摩擦角(可通过变角剪切试验测定)；

R、T为断裂岩块铰接处所受的剪切力与水平推力，具体可根据铰接岩块的受力平衡条件联立方程组求解得到，参考《矿山压力与岩层控制》；

a为断裂岩块端角挤压接触面高度，通过下式计算：

a＝0.5(h₁-L₁ sinθ₁)

同时可参考上述两公式继续判断更上位的关键层是否与其下位的关键层产生协同破断；

F、基于步骤C-E可以确定某一具体工况下，影响煤层开采工作面周期来压的关键层数量及其破断后的具体形态，即周期来压期间的顶板结构，然后计算周期来压期间工作面支架所受载荷大小；

亚关键层1为主关键层情况下(主关键层结构)支架载荷P_z的计算式为：

亚关键层1不是主关键层情况下(亚关键层1结构，包括上文中提到的两种情况：①无影响；②亚关键层1受到影响但不会发生同步破断)支架载荷P_z的计算式为：

P_z＝(L_k+0.5h₀ cotα)h₀bγ+k_xL₁bγ(h₁+Σh₁)

式中，为主关键层上方载荷层的内摩擦角；

这里需要说明：若上位关键层破断对亚关键层1产生影响，但亚关键层1不随上位关键层发生协同破断，则此时由于受上位关键层断裂岩块传递载荷的影响，亚关键层1的断裂步距必然小于其正常周期断裂步距L₁(无影响情况)，并且在亚关键层1断裂后软弱岩层组1随之同步下沉变形，在软弱岩层组1与上位关键层间形成离层空间，上位关键层断裂岩块无法继续向下部传递载荷，因而此时工作面周期来压强度小于正常的来压强度(无影响情况)，因此，出于安全性考虑，此时以亚关键层1不受上位关键层影响时考虑工作面液压支架所受载荷；

同样，对于局部多关键层结构，当亚关键层m受上位关键层破断影响但并不随之发生协同破断时，以亚关键层m以下各关键层协同破断的情况考虑工作面液压支架所受载荷。

对于周期来压期间顶板为多关键层结构的工作面，液压支架所受载荷P_z的计算式为：

P_z＝(L_k+0.5h₀ cotα)h₀bγ+k_x[l₁bγ(h₁+Σh₁)+k_x(…+k_xP_m)]

式中，P_m为亚关键层m断裂岩块自重和与之协同下沉变形的软弱岩层组重量之和；

当亚关键层m为主关键层时(所有关键层结构)，P_m的计算式为：

当亚关键层m不为主关键层时(局部多关键层结构)，P_m的计算式为：

P_m＝L_mbγ(h_m+Σh_m)；

G、在确定工作面支架所受载荷的基础上，考虑一定的安全裕度，设定安全系数，一般可取1.2～1.5，最终确定煤层开采工作面液压支架的合理工作阻力，对液压支架进行合理选型。

Claims (1)

1.一种煤层群开采工作面液压支架工作阻力确定方法，其特征在于，具体步骤如下：

a、确定待开采工作面覆岩内关键层的数量及其具体层位；

b、将来压期间工作面顶板结构划分为主关键层结构、亚关键层1结构、局部多关键层结构、所有关键层结构；

c、基于覆岩内各关键层的周期断裂步距，确定所有与亚关键层1存在相互影响的关键层；其中，亚关键层m的周期断裂步距以下式计算：

式中，L_m为亚关键层m的周期断裂步距，h_m为亚关键层m的厚度，q_m为亚关键层m所受载荷，R_mT为亚关键层m的极限抗拉强度；主关键层的周期断裂步距参考上式计算；

亚关键层m+1的破断运移对亚关键层m无影响的判别条件为：

h_j≥L_m·cotβ

式中，h_j为亚关键层m+1与亚关键层m的法向间距，β为岩层断裂线与垂直方向夹角；

d、确定覆岩内各关键层的破断形式以及破断岩块之间的铰接类型；

其中，亚关键层m以铰接岩梁形态破断的判别条件为：

式中，W_m为亚关键层m断裂岩块的绝对回转量，M为开采高度，K_p为直接顶的碎胀系数，h₀为直接顶厚度，K_x为各软弱岩层组的碎胀系数，∑h₁～∑h_m为各亚关键层控制的软弱岩层组的厚度，σ_mc为亚关键层m断裂岩块的抗压强度；

若不满足上述公式条件，则该亚关键层m将以悬臂梁的形式破断；主关键层破断形式的判别方式也采用上述公式；对于以铰接岩梁形态破断的关键层，继续依据“S-R”稳定理论判别其属于砌体梁、非稳定砌体梁、台阶岩梁中的哪种铰接类型；

e、若在步骤c中判定上部关键层断裂将对亚关键层1产生影响，则继续根据邻近关键层协同破断判别条件确定影响工作面周期来压且协同破断的关键层数量；

当亚关键层1以悬臂梁形态破断时，与上位关键层存在协同破断效应的判别条件为：

当亚关键层1以铰接岩梁形态破断时，与上位关键层存在协同破断效应的判别条件为：

以上两式中，l₁为亚关键层1上次断裂位置至上位关键层断裂延长线的水平距离，采用下式计算，式中L₁、L₂采用步骤c中关于L_m的公式计算；

R_1T为亚关键层1的极限抗拉强度，P为液压支架提供的支护阻力，L_k为液压支架的控顶距，q₁为亚关键层1所受载荷；

q_z1为亚关键层1断裂岩块与其上部控制软弱岩层组的重量之和，通过下式计算，式中b为液压支架宽度：

q_z1＝l₁b(h₁γ₁+∑h₁γ)

Q₂为上位关键层断裂岩块的传递载荷，具体由载荷传递系数k_x×q_z2计算求得，q_z2的计算方法参照上式，k_x的计算方法见下式：

式中，k₁、k₂、k₃、k₄分别为悬臂梁、砌体梁、非稳定砌体梁、台阶岩梁结构的载荷传递系数，α为岩层的破断角，为岩层的内摩擦角；

R、T为断裂岩块铰接处所受的剪切力与水平推力，根据铰接岩块的受力平衡条件联立方程组求解；a为断裂岩块端角挤压接触面高度，通过下式计算：

a＝0.5(h₁-L₁sinθ₁)

同时参考上述公式继续判断更上位的关键层是否与其下位的关键层产生协同破断；

f、计算周期来压期间工作面支架所受载荷；

主关键层结构支架载荷P_z的计算式为：

亚关键层1结构支架载荷P_z的计算式为：

P_z＝(L_k+0.5h₀cotα)h₀bγ+k_xL₁bγ(h₁+Σh₁)

式中，为主关键层上方载荷层的内摩擦角；

局部多关键层结构和所有关键层结构支架载荷P_z的计算式为：

P_z＝(L_k+0.5h₀cotα)h₀bγ+k_x[l₁bγ(h₁+Σh₁)+k_x(…+k_xP_m)]

式中，P_m为亚关键层m断裂岩块自重和与之协同下沉变形的软弱岩层组重量之和；

所有关键层结构P_m的计算式为：

局部多关键层结构P_m的计算式为：

P_m＝L_mbγ(h_m+Σh_m)；

g.取1.2～1.5P_z作为液压支架工作阻力的合理工作阻力，对液压支架进行合理选型。