一种煤层群开采工作面液压支架工作阻力确定方法技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种煤层群开采工作面液压支架工作阻力确定方法


[0001]本专利技术属于煤炭开采领域，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。

技术介绍

[0002]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”。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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；
[0006]具体步骤如下：
[0007]a、确定待开采工作面覆岩内关键层的数量及其具体层位；
[0008]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；
[0009]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：
[0010][0011]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；
[0012]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：
[0013]h
j
≥L
m
·
cotβ
[0014]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；
[0015]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；
[0016]其中，亚关键层m以铰接岩梁形态破断的判别条件为：
[0017][0018]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；
[0019]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；
[0020]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；
[0021]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：
[0022][0023]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：
[0024][0025]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；
[0026][0027]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；
[0028]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：
[0029]q
z1
＝l1b(h1γ1+∑h1γ)
[0030]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：
[0031][0032]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；
[0033]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：
[0034]a＝0.5(h1‑
L
1 sinθ1)
[0035]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；
[0036]f、计算周期来压期间工作面支架所受载荷；
[0037]主关键层结构支架载荷P
z
的计算式为：
[0038][0039]亚关键层1结构支架载荷P
z
的计算式为：
[0040]P
z
＝(L
k
+0.5h
0 cotα)h0bγ+k
x
L1bγ(h1+Σh1)
[0041]式中，为主关键层上方载荷层的内摩擦角；
[0042]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：
[0043]P...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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

【专利技术属性】
技术研发人员：王沉，朱成，汪锋，张自政，朱德福，张帅，张恒，许哲扬，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：