不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法，属于煤炭开采领域，包括以下步骤：收集工作面地质资料，进行煤岩力学参数的测定；建立不同煤层倾角三维模型；模拟工作面推进，提取直接顶变形值；建立支架—围岩力学模型，根据直接顶变形值计算不同煤层倾角条件下工作面支架工作阻力数值；铺设不同煤层倾角物理相似模拟实验模型，模拟回采工作面推进；根据物理相似模拟实验模型监测的支架工作阻力对计算结果进行拟合修正。本发明专利技术模拟结果更加精准，能够较为准确地反映了不同煤层倾角情况下围岩“非对称”变形运移规律及其对支架工作阻力的影响，并且避免了采用理论模型分析直接顶变形的复杂性，适用于所有支架工作阻力的计算。工作阻力的计算。工作阻力的计算。

【技术实现步骤摘要】
不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法


[0001]本专利技术属于煤炭开采领域，涉及一种液压支架工作阻力计算方法，具体地说是一种不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法。

技术介绍

[0002]煤炭开采过程中，液压支架是“三机配套”的核心与保证工作面安全生产的关键设备，而支架工作阻力是其结构设计和型号选择的关键参数之一。通过分析支架工作阻力的变化规律，可以在一定程度上判断工作面顶板来压步距，实现工作面周期来压的超前预警。掌握支架工作阻力的精准计算方法对于动态改善支架支护效率和保证开采作业的安全高效进行具有重要意义。
[0003]目前，计算支架工作阻力的主要方法有基于矿山压力学说的理论计算法，通过对大量矿山压力实测数据分析计算的实测统计法，以及依据现场生产经验总结的载荷估算法等。上述方法计算简单，可操作性强，已普遍适用于赋存稳定、无特殊地质构造的(近)水平煤层综采工作面支架工作阻力的计算。
[0004]针对大倾角、急倾斜、赋存背向斜构造，且沿走向煤层倾角产生变化等特殊地质条件，随着煤层倾角的不断增大，顶板非对称变形程度愈加剧烈，支架工作阻力的区域特征更加明显。传统的支架工作阻力计算方法不能准确刻画“支架—围岩”相互作用关系，且在工作面推进过程中对于支架载荷的动态演变规律无法实现精确监测，采用其计算结果所确定的支架型号，必然存在部分区域因支架额定工作阻力设计不足而导致工作面推进过程中支架压死、偏转、滑移的现象，严重情况下诱发大范围支架失稳，致使工作面瘫痪。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的以上不足，本专利技术旨在提供一种不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法，以达到能够较为精确的反映煤层倾角改变情况下，支架工作阻力的变化规律，为支架选型与设计提供合理、有效的参考依据的目的。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一：收集工作面地质资料，并进行煤岩力学参数的测定；
[0008]步骤二：建立不同煤层倾角三维数值计算模型；
[0009]步骤三：对步骤二中建立的数值模型模拟工作面推进，提取直接顶变形值；
[0010]步骤四：建立支架—围岩力学模型，根据步骤三中提取的直接顶变形值计算不同煤层倾角条件下工作面支架工作阻力数值；
[0011]步骤五：根据步骤一中工作面地质资料，铺设不同煤层倾角物理相似模拟实验模型，并通过设计的支架模型推进装置模拟回采工作面推进，监测实验过程中支架模型工作阻力；
[0012]步骤六：根据步骤五中物理相似模拟实验监测的支架工作阻力对步骤四的计算结
果进行拟合修正。
[0013]作为对本专利技术的限定：所述步骤一中，煤岩力学参数的测定包括，采用现场钻孔取芯的方式制作若干个煤岩标准试件，对煤岩标准试件进行煤岩力学参数的测定；所测定的煤岩力学参数包括单轴抗拉强度、弹性模量、单轴抗压强度、泊松比、内摩擦角和粘聚力。
[0014]作为对本专利技术的限定：所述步骤五中，铺设不同煤层倾角物理相似模拟实验模型，并通过设计的支架模型推进装置模拟回采工作面推进包括以下步骤，
[0015]S1:根据步骤一中收集的工作面地质资料参数，按照设定的几何相似比铺设不同煤层倾角物理相似模拟实验模型，将包括河沙、粉煤灰、石膏、碳酸钙的材料加水搅拌均匀之后装入实验架；
[0016]S2:在实验架的顶部和侧帮装有的千斤顶，通过上述千斤顶对实验模型顶部和侧帮施加大小为σ＝Σγ
i
h
i
载荷，使得模型处于初始应力状态，其中，γ
i
和h
i
分别为模型顶部岩层到地表之间第i层岩层容重和厚度，均可通过查询步骤一中工作面地质资料获得；
[0017]S3:按照几何相似比确定模型支架、采煤设备和推架千斤顶尺寸，支架与采煤设备之间由支架底座前端的推架千斤顶相连，通过支架顶梁上装有的传感器监测支架工作阻力；
[0018]S4:模型干燥后，根据步骤一中工作面地质资料确定模型回风巷道和运输巷道尺寸并进行巷道开掘，调节支架立柱高度使其与模型工作面高度和煤层倾角相适应，将支架、采煤设备和千斤顶放入开掘的回风巷和运输巷之间，启动采煤设备开关进行割煤；
[0019]S5:采煤设备割煤结束后，推动液压支架模型前移；推动支架过程中，首先降低相应的支架高度，随后由对应的推架千斤顶推动支架前移，支架推移距离为工作推进步距。推架完成后支架升高对工作面顶板进行支护，当所有模型支架推架完成后即可实现一次工作面推进；
[0020]S6:重复步骤S5即可完成实验模型开挖，工作面推进过程中，采集支架上传感器的数据；
[0021]S7:将采集的传感器数据导入数据计算软件matlab，进行最小二乘法拟合处理，去除误差较大的支架工作阻力数据，得到实验下的支架工作阻力P3。
[0022]作为对本专利技术的进一步限定：所述收集工作面的地质资料包括，根据矿区地层综合柱状图收集工作面地质资料，所收集的地质资料参数包括煤岩层厚度、岩性。
[0023]作为对本专利技术的进一步限定：所述步骤六中，拟合修正主要包括，将步骤四获得的支架工作阻力P2和步骤五获得的实验下的支架工作阻力P3导入matlab数计算软件中进行三次多项式拟合修正，最终获得不同煤层倾角条件下工作面支架工作阻力数值P。
[0024]作为对本专利技术的再进一步限定：所述步骤二中，建立不同煤层倾角三维模型的步骤，包括生成网格，并将网格导入软件中生成数值计算模型，还包括对步骤一中测定的煤岩力学参数进行优化校正，将优化校正后的煤岩力学参数赋予数值模型进行平衡计算，使数值得模型处于初始应力状态。
[0025]作为对本专利技术的更进一步限定：所述数值计算模型分为7层，顶部到底部依次为顶板、基本顶、直接顶、煤层、直接底、基本底和底板；
[0026]所述优化校正根据Salamon理论计算曲线对步骤一中测定的工作面的地质资料参数进行优化校正；
[0027]所述平衡计算包括以下步骤：将优化校正后的弹性模量、单轴抗拉强度、单轴抗压强度、泊松比、内摩擦角和粘聚力均赋予建立的数值模型；固定模型前、后表面，左、右表面和下表面，根据步骤一中工作面地质资料对模型顶部施加补偿应力，使得模型处于初始应力状态；
[0028]补偿应力大小由公式P1＝Σγ
i h
i
确定；
[0029]其中h
i
为煤层到地表之间第i层岩层厚度，γ
i
为相对应的第i层岩层容重。
[0030]作为对本专利技术的一种限定：所述步骤三中，利用FISH语言编写测面程序，提取工作面推进过程中直接顶变形数据。
[0031]作为对本专利技术的另一种限定：所述提取工作面推进过程中直接顶变形数据，包括如下步骤，
[0032]S1：根据步骤一中工作面地质资料设定数值计算模型工作面长度和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：收集工作面地质资料，进行煤岩力学参数的测定；步骤二：建立不同煤层倾角三维数值计算模型；步骤三：对步骤二中建立的数值模型模拟工作面推进，提取直接顶变形值；步骤四：建立支架—围岩力学模型，根据步骤三中提取的直接顶变形值计算不同煤层倾角条件下工作面支架工作阻力数值；步骤五：根据步骤一中工作面地质资料，铺设不同煤层倾角物理相似模拟实验模型，并通过设计的支架模型推进装置模拟回采工作面推进，监测实验过程中支架模型工作阻力；步骤六：根据步骤五中物理相似模拟实验监测的支架工作阻力对步骤四的计算结果进行拟合修正。2.根据权利要求1所述的不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法，其特征在于，所述步骤一中，煤岩力学参数的测定包括，采用现场钻孔取芯的方式制作若干个煤岩标准试件，对煤岩标准试件进行煤岩力学参数的测定；所测定的煤岩力学参数包括单轴抗拉强度、弹性模量、单轴抗压强度、泊松比、内摩擦角和粘聚力。3.根据权利要求2所述的不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法，其特征在于，所述收集工作面的地质资料包括，根据矿区地层综合柱状图收集工作面地质资料，所收集的地质资料参数包括煤岩层厚度、岩性。4.根据权利要求3所述的不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法，其特征在于，所述步骤二中，建立不同煤层倾角三维模型的步骤，包括生成网格，并将网格导入软件中生成数值计算模型，还包括对步骤一中测定的煤岩力学参数进行优化校正，将优化校正后的煤岩力学参数赋予数值模型进行平衡计算，使数值得模型处于初始应力状态。5.根据权利要求4所述的不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法，其特征在于，所述数值计算模型分为7层，顶部到底部依次为顶板、基本顶、直接顶、煤层、直接底、基本底和底板；所述优化校正根据Salamon理论计算曲线对步骤一中测定的工作面的地质资料参数进行优化校正；所述平衡计算包括以下步骤：将优化校正后的弹性模量、单轴抗拉强度、单轴抗压强度、泊松比、内摩擦角和粘聚力均赋予建立的数值模型；固定模型前、后表面，左、右表面和下表面，根据步骤一中工作面地质资料对模型顶部施加补偿应力，使得模型处于初始应力状态；补偿应力大小由公式P1＝Σγ
i
h
i
确定；其中h
i
为煤层到地表之间第i层岩层厚度，γ
i
为相对应的第i层岩层容重。6.根据权利要求5所述的不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法，其特征在于，所述步骤三中，利用FISH语言编写测面程序，提取工作面推进过程中直接顶变形数据。7.根据权利要求6所述的不同煤层倾角条件下液压支架工作阻力的计算方法，其特征在于，所述提取工作面推进过程中直接顶变形数据，包括如下步骤，S1：根据步骤一中工作面地质资料设定数值计算模型工作面长度和推进步距，采用
Mohr
‑
null本构模型模拟开挖，采用Double
‑
Y...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗生虎，田程阳，王同，任浩，李志林，韩昊强，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：