一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开采的支架选型方法技术

本发明专利技术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。

A support selection method for horizontal sublevel mining of steep and extra thick coal seam

【技术实现步骤摘要】
一种用于急倾斜特厚煤层水平分段开采的支架选型方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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，本专利技术为工作面本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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；/n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：/nR＝R...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：何江，窦林名，曹立厅，吴江湖，葛庆，
申请(专利权)人：中国矿业大学，徐州弘毅科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32