CN117113542A - 一种近距离煤层协调开采最大支架工作阻力确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近距离煤层协调开采最大支架工作阻力确定方法，属于近距离煤层开采领域。主要实现步骤为：首先根据地质钻孔资料、相关岩石力学实验等数据资料，结合地质雷达、钻孔窥视等手段判断层间岩层是否完整，是否存在硬岩，其次根据不同的层间岩层情况建立“散体给定载荷结构”、“散体给定载荷‑砌体梁式平衡结构”或“砌体梁式平衡结构”力学模型，最后根据符合现场情况的力学模型计算最大支架工作阻力；适用于煤层群上行、下行或上下行协调开采支架的工作阻力确定，针对性的为煤层群开采支架额定工作阻力确定提供了理论依据和参考。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭开采技术领域，特别是一种近距离煤层群开采工作面最大支架工作阻力确定方法。
背景技术
液压支架作为采煤工作面控制采场矿压的重要构筑物，能够有效平衡采煤工作面的顶板压力，也就是说，液压支架必须具备一定的工作阻力。
在采煤工作面的实际生产中，液压支架所能承受的最大负载能力称为支架额定工作阻力，而液压支架实际承受的负载能力称为支架实际工作阻力。
一般地，当工作面来压期间，支架实际工作阻力超过额定工作阻力时，液压支架可能发生采场大面积压架、冒顶事故，严重威胁工人安全，同时造成支架等生产设备的损坏，影响工作面正常生产，而当液压支架的实际工作阻力小于额定工作阻力的90％时，则认为支架载荷利用率不高，支架性能无法充分发挥，支架选型不合理，造成吨煤成本增加的问题。因此，液压支架额定工作阻力的确定对工作面乃至矿井生产具有极其重要的意义。
目前，支架工作阻力确定的主要方法包括经验估算法、现场实测法、砌体梁结构分析法等，中国专利申请CN106919744A与CN108825236A分别公布了一种浅埋近距离煤层群开采顶板初次来压支架支护阻力的确定方法与一种浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法，该类方法包括通过工作面初次来压关键层形成的“非对称三铰拱结构”或结合周期来压时关键层台阶下沉量、周期破断形态等因素建立的力学模型来计算支架的支护助力；然而上述方法仅针对近距离煤层群下行开采时的支架工作阻力计算，对于一些需要上下行协调开采来解决稀缺煤种配采问题的矿区来说将不再适用。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，提供一种普适性强、结果可靠性高的近距离煤层协调开采最大支架工作阻力确定方法，该方法适用于近距离煤层群上行开采、下行开采或上下行协调开采时，工作面最大支架工作阻力的确定，为类似近距离煤层群协调开采最大支架工作阻力计算提供新方法。
本发明采用的技术方案为：一种近距离煤层协调开采最大支架工作阻力确定方法，包括以下步骤：
S1、根据相关资料判断当前煤层上覆是否存在可采煤层，若不存在可采煤层则进入步骤S7，若上覆存在煤层则需判断可采煤层是否已经开采，则进入步骤S2；
S2、判断上覆可采煤层是否已经全部开采，若全部未开采则进入步骤S7，若部分开采则进入步骤S4，若全部已经开采完毕则进入步骤S3；
S3、判断当前煤层与上覆可采煤层间的距离，若大于30m则进入步骤S4，若小于或等于30m则进入步骤S5；
S4、通过地质雷达、钻孔窥视等手段判断层间岩层是否完整，若层间岩层完整，则进入步骤S7，若层间岩层不完整，则进入步骤S5；
S5、结合地质钻孔资料与相关岩石力学实验，判断层间是否存在硬岩，若存在硬岩则进入步骤S6，若不存在硬岩则建立“散体给定载荷结构”力学模型计算最大支架工作阻力；
S6、若层间存在单层硬岩则建立“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”力学模型计算最大支架工作阻力，若层间存在多层硬岩则进入步骤S7。
S7、根据“砌体梁式平衡结构”力学模型计算最大支架工作阻力。
所述步骤S5中“散体给定载荷结构”力学模型计算最大支架工作阻力的计算公式如下：
P＝Q0+PS
其中，P为最大支架工作阻力；Q0为支架控顶距范围内直接顶的重量；Ps为矸石散体拱的载荷；Q0与Ps的计算公式如下：
其中，n1为支架控顶距范围内直接顶岩层的层数，支架控顶距范围内的直接顶岩层从下到上进行编号为：1,2，…，i，…，n1；γi为支架控顶距范围内第i层直接顶岩层的容重；hi为支架控顶距范围内第i层直接顶岩层的厚度；li为支架控顶距范围内第i层直接顶岩层的悬顶距；
其中，∑hs为矸石散体拱高度；ls为矸石散体拱跨距；Ks为散体拱修正系数；α为矸石散体拱自然安息角；γs为矸石散体拱容重。
所述步骤S6中“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”力学模型计算最大支架工作阻力的计算公式如下：
P＝Q0+F
其中，F为“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”基本顶滑落失稳作用在支架上的力，计算公式如下：
其中，QA+B为“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”岩块A与B重量及其所受载荷；lB为岩块B长度；QB为岩块B重量及其所受载荷；hB为岩块B厚度；δ为岩块B的下沉量，为岩块B的内摩擦角；θ为岩块B的破断角；QA+B、δ与θ的计算公式如下：
QA+B＝QA+QB+PS
其中，lA为岩块A长度；QA为岩块A重量及其所受载荷；hA为岩块A厚度；n2为岩块A控制的岩层层数，岩块A控制的岩层层数从下到上编号为：1,2，…，j，…，n2；n3为岩块B控制的岩层层数，岩块B控制的岩层层数从下到上编号为：1,2，…，j，…，n3；γA、γB为岩块A与B容重；γj为岩块A或岩块B控制的第j层岩层的容重；hj为岩块A或岩块B控制的第j层岩层的厚度；lj为岩块A或岩块B控制的第j层岩层的悬顶距；m为煤层厚度；Ki为第i层直接顶岩层的碎胀系数。
所述步骤S7中“砌体梁式平衡结构”力学模型计算最大支架工作阻力的计算公式如下：
P＝Q0+F’
其中，F’为“砌体梁式平衡结构”基本顶滑落失稳作用在支架上的力，计算公式如下：
其中，Q’A+B为“砌体梁式平衡结构”岩块A与岩块B重量及其所受载荷，计算公式如下：
Q’A+B＝QA+QB+q0
其中，q0为基本顶岩块受到的载荷，将基本顶控制的岩层从下到上进行编号(1,2，…，j，…，n)，可以得到q0计算公式如下：
其中，E1为基本顶岩层的弹性模量；h1为基本顶岩层的厚度；n为基本顶控制的岩层数；Ej为基本顶之上第j层岩层的弹性模量；γj为基本顶之上第j层岩层的容重；hj为基本顶之上第j层岩层的厚度。
优先地，以上所有所述步骤中，层间距为当前需要计算的当前煤层到上覆最近可采煤层的垂直距离；层间岩层为需要计算的当前煤层到上覆最近可采煤层之间的岩层。
(1)本发明提供的一种近距离煤层协调开采最大支架工作阻力确定方法适用范围广，尤其适用于近距离煤层协调开采支架的工作阻力确定。
(2)本发明提供的一种近距离煤层协调开采最大支架工作阻力确定方法可在不同开采层序下建立近距离煤层群开采的覆岩破断模型，得到顶板承载边界下各煤层的支架载荷计算方法，指导近距离煤层群开采支架合理工作阻力的确定。
附图说明
图1是近距离煤层协调开采最大支架工作阻力确定方法的实施流程图。
图2是本发明实施例的“散体给定载荷结构”力学模型示意图。
图2中：P为最大支架工作阻力；Q0为支架控顶距范围内直接顶的重量；Ps为矸石散体拱的载荷；∑hs为矸石散体拱高度；h为支架控顶距范围内直接顶的厚度；ls为矸石散体拱跨距；l为支架控顶距范围内直接顶的悬顶距；m为煤层厚度。
图3是本发明实施例的“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”力学模型示意图。
图3中：A、B为关键岩块；P为最大支架工作阻力；Q0为支架控顶距范围内直接顶的重量；Ps为矸石散体拱的载荷；∑hs为矸石散体拱高度；h为支架控顶距范围内直接顶的厚度；l为支架控顶距范围内直接顶的悬顶距；m为煤层厚度；ha为基本顶岩层厚度；hb为基本顶控制的层间岩层厚度；T为层间硬岩破断岩块间的水平推力；δ为岩块B的下沉量；lA为岩块A长度；lB为岩块B长度；QA为岩块A重量及其所受载荷；QB为岩块B重量及其所受载荷。
图4是本发明实施例的“砌体梁式平衡结构”力学模型示意图。
图4中：A、B为关键岩块；P为最大支架工作阻力；Q0为支架控顶距范围内直接顶的重量；h为支架控顶距范围内直接顶的厚度；l为支架控顶距范围内直接顶的悬顶距；m为煤层厚度；ha为基本顶岩层厚度；q0为基本顶岩块受到的载荷；T为层间硬岩破断岩块间的水平推力；δ为岩块B的下沉量；lA为岩块A长度；lB为岩块B长度；QA为岩块A重量及其所受载荷；QB为岩块B重量及其所受载荷。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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作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。
如图1所示，本发明提出了一种近距离煤层协调开采最大支架工作阻力确定方法，包括以下步骤：
S1、根据相关资料判断当前煤层上覆是否存在可采煤层，若不存在可采煤层则进入步骤S7，若上覆存在煤层则需判断可采煤层是否已经开采，则进入步骤S2；
S2、判断上覆可采煤层是否已经全部开采，若全部未开采则进入步骤S7，若部分开采则进入步骤S4，若全部已经开采完毕则进入步骤S3；
S3、判断当前煤层与上覆可采煤层间的距离，若大于30m则进入步骤S4，若小于或等于30m则进入步骤S5；
S4、通过地质雷达、钻孔窥视等手段判断层间岩层是否完整，若层间岩层完整，则进入步骤S7，若层间岩层不完整，则进入步骤S5；
S5、结合地质钻孔资料与相关岩石力学实验，判断层间是否存在硬岩，若存在硬岩则进入步骤S6，若不存在硬岩则建立“散体给定载荷结构”力学模型计算最大支架工作阻力，计算公式如下：
P＝Q0+PS (1)
其中，P为最大支架工作阻力；Q0为支架控顶距范围内直接顶的重量；Ps为矸石散体拱的载荷；Q0与Ps的计算公式如下：
其中，n1为支架控顶距范围内直接顶岩层的层数，支架控顶距范围内的直接顶岩层从下到上进行编号为：1,2，…，i，…，n1；γi为支架控顶距范围内第i层直接顶岩层的容重；hi为支架控顶距范围内第i层直接顶岩层的厚度；li为支架控顶距范围内第i层直接顶岩层的悬顶距；
其中，∑hs为矸石散体拱高度；ls为矸石散体拱跨距；Ks为散体拱修正系数；α为矸石散体拱自然安息角；γs为矸石散体拱容重。
S6、若层间存在多层硬岩则进入步骤S7，若层间存在单层硬岩则建立“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”力学模型计算最大支架工作阻力，计算公式如下：
P＝Q0+F (2)
其中，F为“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”基本顶滑落失稳作用在支架上的力，计算公式如下：
其中，QA+B为“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”岩块A与B重量及其所受载荷；lB为岩块B长度；QB为岩块B重量及其所受载荷；hB为岩块B厚度；δ为岩块B的下沉量，为岩块B的内摩擦角；θ为岩块B的破断角；QA+B、δ与θ的计算公式如下：
QA+B＝QA+QB+PS
其中，lA为岩块A长度；QA为岩块A重量及其所受载荷；hA为岩块A厚度；n2为岩块A控制的岩层层数，岩块A控制的岩层层数从下到上编号为：1,2，…，j，…，n2；n3为岩块B控制的岩层层数，岩块B控制的岩层层数从下到上编号为：1,2，…，j，…，n3；γA、γB为岩块A与B容重；γj为岩块A或岩块B控制的第j层岩层的容重；hj为岩块A或岩块B控制的第j层岩层的厚度；lj为岩块A或岩块B控制的第j层岩层的悬顶距；m为煤层厚度；Ki为第i层直接顶岩层的碎胀系数。
S7、根据“砌体梁式平衡结构”力学模型计算最大支架工作阻力，计算公式如下：
P＝Q0+F’ (3)
其中，F’为“砌体梁式平衡结构”基本顶滑落失稳作用在支架上的力，计算公式如下：
其中，Q’A+B为“砌体梁式平衡结构”岩块A与岩块B重量及其所受载荷，计算公式如下：
Q’A+B＝QA+QB+q0
其中，q0为基本顶岩块受到的载荷，将基本顶控制的岩层从下到上进行编号(1,2，…，j，…，n)，可以得到q0计算公式如下：
其中，E1为基本顶岩层的弹性模量；h1为基本顶岩层的厚度；n为基本顶控制的岩层数；Ej为基本顶之上第j层岩层的弹性模量；γj为基本顶之上第j层岩层的容重；hj为基本顶之上第j层岩层的厚度。
优先地，以上所有所述步骤中，层间距为当前需要计算的当前煤层到上覆最近可采煤层的垂直距离，层间岩层为需要计算的当前煤层到上覆最近可采煤层之间的岩层。
下面以某煤矿为例，说明本发明的具体实施方式。
某矿煤系地层80m范围内，由上至下依次分布着5层主要可采煤层，分别为5号煤层、7号煤层、8号煤层、9号煤层和12号煤层；煤层平均厚度分别为1.4m、4.1m、1.8m、1.9m和3.4m；平均层间距分别为28.9m、5.3m、5.6m和40.5m；煤层开采顺序为：7-8-12-9-5。
针对此类近距离煤层协调开采最大支架工作阻力的确定，需确定各煤层最大支架工作阻力的计算方法，具体实施步骤如下：
1、根据相关资料对各煤层进行分析可知，5号煤层上覆不存在可采煤层，因此按“砌体梁式平衡结构”公式(3)计算最大支架工作阻力，如图4所示。
2、7号煤层为首采层，上覆存在可采煤层但未开采，因此按“砌体梁式平衡结构”公式(3)计算最大支架工作阻力，如图4所示。
3、8号煤层上覆存在可采煤层，可采煤层已经回采完毕，层间距小于30m，但层间无硬岩，因此按“散体给定载荷结构”公式(1)计算最大支架工作阻力，如图2所示。
4、9号煤层上覆存在可采煤层，可采煤层已经回采完毕，层间距小于30m，但层间具有一层基本顶硬岩，仍能保持连续性与完整性，因此按“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”公式(2)计算最大支架工作阻力，如图3所示。
5、12煤层上覆存在可采煤层，但12煤层回采时9号煤层没有回采，与已经回采的8号煤层的层间距超过30m，且通过地质雷达、钻孔窥视等手段实测确定层间的岩层完整性较好，因此按“砌体梁式平衡结构”公式(3)计算最大支架工作阻力，如图4所示。
综上，代入各煤层相关参数计算可得5号、7号、8号、9号、12号煤层的最大支架工作阻力分别为：4015kN、3948kN、4030kN、3560kN、4101kN。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种近距离煤层协调开采最大支架工作阻力确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据相关资料判断当前煤层上覆是否存在可采煤层，若不存在可采煤层则进入步骤S7，若上覆存在煤层则需判断可采煤层是否已经开采，则进入步骤S2；
S2、判断上覆可采煤层是否已经全部开采，若全部未开采则进入步骤S7，若部分开采则进入步骤S4，若全部已经开采完毕则进入步骤S3；
S3、判断当前煤层与上覆可采煤层间的距离，若大于30m则进入步骤S4，若小于或等于30m则进入步骤S5；
S4、通过地质雷达、钻孔窥视等手段判断层间岩层是否完整，若层间岩层完整，则进入步骤S7，若层间岩层不完整，则进入步骤S5；
S5、结合地质钻孔资料与相关岩石力学实验，判断层间是否存在硬岩，若存在硬岩则进入步骤S6，若不存在硬岩则建立“散体给定载荷结构”力学模型计算最大支架工作阻力；
S6、若层间存在单层硬岩则建立“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”力学模型计算最大支架工作阻力，若层间存在多层硬岩则进入步骤S7。
S7、根据“砌体梁式平衡结构”力学模型计算最大支架工作阻力。
2.根据权利要求1所述的一种近距离煤层协调开采最大支架工作阻力确定方法，其特征在于，所述步骤S5中，“散体给定载荷结构”力学模型计算最大支架工作阻力的计算公式如下：
P＝Q0+PS
上式中，P为最大支架工作阻力；Q0为支架控顶距范围内直接顶的重量，n1为支架控顶距范围内直接顶岩层的层数，支架控顶距范围内的直接顶岩层从下到上进行编号为：1,2，…，i，…，n1；γi为支架控顶距范围内第i层直接顶岩层的容重；hi为支架控顶距范围内第i层直接顶岩层的厚度；li为支架控顶距范围内第i层直接顶岩层的悬顶距；Ps为矸石散体拱的载荷，/>∑hs为矸石散体拱高度；ls为矸石散体拱跨距；Ks为散体拱修正系数；α为矸石散体拱自然安息角；γs为矸石散体拱容重。
3.根据权利要求1所述的一种近距离煤层协调开采最大支架工作阻力确定方法，其特征在于，所述步骤S6中，“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”力学模型计算最大支架工作阻力的计算公式如下：
P＝Q0+F
上式中，F为“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”基本顶滑落失稳作用在支架上的力，计算公式如下：
上式中，QA+B为“散体给定载荷-砌体梁式平衡结构”岩块A与B重量及其所受载荷；lB为岩块B长度；QB为岩块B重量及其所受载荷；hB为岩块B厚度；δ为岩块B的下沉量，为岩块B的内摩擦角；θ为岩块B的破断角。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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