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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。的理论分析和计算支持。的理论分析和计算支持。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]专利号为CN107220470A的专利技术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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术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：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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：
[0013][0014]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。
[0015]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：
[0016][0017]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：
[0018]F2‑2＝F1‑1+Qsin2α
[0019]式中，Q为上覆岩层的压力，α为煤层倾角。
[0020]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：
[0021]F2‑3＝F1‑2+Qsin2α。
[0022]可选地，所述工作阻力计算方法还包括以下步骤：
[0023]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；
[0024]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。
[0025]第二方面，本专利技术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：
[0026]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；
[0027]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；
[0028]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；
[0029]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。
[0030]可选地，所述工作阻力计算装置还包括：
[0031]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。
[0032本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：F2‑2＝F1‑1+Qsin2α...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴锋锋，岳鑫，刘长友，余昌辉，柳启文，李超，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：