一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法与流程

本发明涉及煤层开采技术领域，更具体的涉及一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法。

背景技术：

我国西部大倾角煤层储量丰富，大倾角煤层开采不同于近水平或缓斜煤层，其顶板倾向结构与走向结构对工作面矿压显现具有明显影响，由于支架选型不当，开采中存在动压灾害与支架侧滑现象，威胁安全生产。目前，国内对大倾角煤层开采顶板空间结构及支架载荷研究较少，成为矿井安全生产亟待解决的技术难题。

我国普遍赋存有倾角介于30°～55°间的大倾角煤层，主要分布在四川、云南、贵州、新疆、甘肃、宁夏等地。由于煤层倾角大，大倾角煤层工作面开采后，工作面上部、中部与下部充填程度不同，沿倾向方向支架载荷存在分区。工作面上部顶板冒空，支架载荷不大，应提供合理的初撑力以防止支架下滑；工作面中部顶板压实程度高，覆载大；工作面下部覆载大，但结构稳定。综上，应确定合理的支架初撑力维持其稳定性，工作面中部为最危险状态，因而，支架载荷确定应以中部顶板结构为准，确定合理的支护力。

大倾角煤层工作面顶板为空间结构，且工作面不同区域充填程度不同，支架载荷难以确定，目前尚缺乏科学有效的方法。现有支架载荷的确定方法主要包括：采高容重估算法、威尔逊估算法、“砌体梁”与“台阶岩梁”法、工程类比法等。针对大倾角煤层开采，以上方法主要存在以下不足：

(1)采高容重估算法：一般按4-8倍采高的岩石容重估算。适用采高小，且误差明显。

(2)威尔逊估算法：考虑直接顶的形状与载荷，支架载荷为直接顶载荷q1与顶板附加力q3之和，但q3不易确定。

(3)“砌体梁”与“台阶岩梁”法：对近水平与缓斜煤层开采支架载荷确定具有重要意义，但大倾角煤层开采条件下关键层上覆载荷不易确定，难以直接应用。

(4)工程类比法：矿井开采条件存在差异，类似矿井开采仅可作为借鉴，不能完全适用。

实践表明，确定支架载荷的经典理论并不完全适用于大倾角煤层工作面。现有研究缺乏对工作面顶板倾向与走向结构的系统分析，而这种顶板空间结构正是影响支架载荷的关键，因而缺少一种大倾角煤层工作面支架载荷确定的有效方法。

综上所述，现有技术中，存在现有研究缺乏对大倾角煤层工作面顶板倾向与走向结构的系统分析，不能科学的确定大倾角煤层工作面支架载荷的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法，用以解决现有技术中存在现有研究缺乏对大倾角煤层工作面顶板倾向与走向结构的系统分析，不能科学有效的确定大倾角煤层工作面支架载荷的问题。

本发明实施例提供一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法，包括：

分析大倾角煤层工作面顶板的倾向结构特征，确定工作面倾向结构载荷分布模型；

根据大倾角煤层工作面顶板的倾向结构特征中工作面中区载荷最大特征，将倾向结构中区岩块的载荷转化为工作面走向结构载荷模型；

根据所述工作面倾向结构载荷分布模型和所述工作面走向结构载荷模型，通过公式(111)，确定直接顶的均布载荷；

根据大倾角煤层工作面顶板的倾向结构特征中工作面中区载荷最大特征，建立顶板结构分析模型；

根据顶板结构分析模型、砌体梁结构分析方法和所述直接顶的均布载荷，通过公式(222)，确定工作面中区支架的支护阻力；

根据所述工作面的支护阻力和支架支护效率，通过公式(333)，确定大倾角煤层工作面支架载荷；

所述公式(111)如下所示：

q＝1.01sin(α+80°)(hρg+h2ρ1g)

所述公式(222)如下所示：

所述公式(333)如下所示：

其中，q为直接顶的均布载荷，kn/m²；α为煤层倾角，°；h为关键层厚度，m；h2为关键块垮落顶板平均高度，m；ρg为关键层的容重，kn/m³；ρ1g为关键块上覆载荷层容重，kn/m³；pm为工作面支架的支护阻力，kn；b为支架宽度，m；lk为支架控顶距，m；h0为顶煤厚度，m；ρ0g为顶煤容重，kn/m³；h1为直接顶厚度，m；ρ1g为直接顶容重，kn/m³；i为关键块块度，且i＝h/l，l为关键块走向长度，m；θ1为关键块回转角，°；θ1max为关键块最大回转角，°；pe1为支架载荷，kn；μ为支架支护效率。

较佳地，所述大倾角煤层工作面顶板的倾向结构特征，包括：顶板最大下沉点位于工作面中部2/3附近；老顶关键层形成“非对称三铰拱结构”，且所述“非对称三铰拱结构”形成相互铰接的上区岩块、中区岩块和下区岩块；工作面上区支架易侧滑，工作面中区顶板活动剧烈，支架载荷最大。

较佳地，所述工作面倾向结构载荷分布模型，通过下式确定：

其中，rc为c点的摩擦力，kn/m；l1为上区岩块的长度，m；l2为中区岩块的长度，m；q1为上区岩块载荷重量，kn/m；q2为中区岩块载荷重量，kn/m。

较佳地，所述工作面走向结构直接顶的均布载荷，通过下式确定：

ql2＝rc。

较佳地，本发明实施例提供一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法，还包括：根据当顶煤与底板对支架提供的摩擦力大于支架自重引起的下滑力时支架稳定特征，确定支架防滑初撑力；所述支架防滑初撑力，通过下式确定：

其中，p0为支架防滑初撑力，kn；为支架与顶煤间的摩擦系数；为支架与底板间的摩擦系数；gs为支架的自重，kn。

较佳地，本发明实施例提供一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法，还包括：根据支架防滑初撑力为支架载荷的75％，确定大倾角煤层工作面上区支架防滑的工作阻力；所述大倾角煤层工作面上区支架防滑的工作阻力，通过下式确定：

其中，pe0为大倾角煤层工作面上区支架防滑的工作阻力，kn。

较佳地，所述支架支护效率取0.9。

本发明实施例中，提供一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法，与现有技术相比，其有益效果为：本发明旨在建立一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法，为大倾角煤层的安全高效开采提供新技术，为此类条件矿井的安全开采提供理论指导。具体地，本发明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；分析得出支架维持自稳所需初撑力，建立支架额定工作阻力的确定判据，为支架的选型提供可靠依据。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法流程图；

图2为本发明实施例提供的工作面顶板倾向垮落结构；

图3为本发明实施例提供的顶板倾向关键块结构模型；

图4为本发明实施例提供的k随煤层倾角α的变化曲线；

图5为本发明实施例提供的工作面上区支架受力图；

图6为本发明实施例提供的工作面走向顶板结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。

图1为本发明实施例提供的一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法流程图。如图1所示，该方法包括：

步骤s101，分析大倾角煤层工作面顶板的倾向结构特征，确定工作面倾向结构载荷分布模型。

在步骤s101中，顶板倾向结构特征如下：

模拟实验表明，大倾角煤层工作面开采后，顶板最大下沉点位于工作面中部2/3附近，老顶关键层形成“非对称三铰拱结构”(如图2所示)，该结构形成相互铰接的上部岩块ⅰ、中部岩块ⅱ和下部岩块ⅲ。工作面上部支架易侧滑，中部区域顶板活动剧烈，支架载荷最大，是顶板控制的重点区域。

在步骤s101中，顶板倾向结构力学模型如下：

大倾角煤层工作面顶板具有空间结构特征，必须首先建立倾向结构模型，确定工作面倾向载荷分布，根据工作面顶板倾向结构特征，建立力学模型如图3所示，力学模型具体如下：

以岩块ⅰ、ⅱ为整体，其x方向力的平衡方程为∑fx＝0，a点的力矩平衡方程为∑ma＝0，可得：

ra+rc＝(q1+q2)cosα(1)

由于较小，上式简化为：

其中：ra,rc分别为a、c点的摩擦力，kn/m；h为关键层厚度，m；q1为老顶岩块ⅰ及其上部载荷的重量，kn/m；q2为老顶岩块ⅱ及其上部载荷的重量，kn/m；l1、l2分别为岩块ⅰ、ⅱ的长度，m；α为煤层倾角，°；a为接触面高度，m，由于0.5a很小，简便计算忽略不计。

步骤s102，根据大倾角煤层工作面顶板的倾向结构特征中工作面中区载荷最大特征，将倾向结构中区岩块的载荷转化为工作面走向结构载荷模型。

在步骤s102中，工作面中部顶板结构载荷分析如下：

由于中部载荷最大，工作面支架载荷应该按照中部(岩块ⅱ)建立走向结构模型确定。首先将倾向结构中岩块ⅱ的载荷转化为走向模型载荷。

考虑到顶板结构受直接顶支撑，为了方便计算，将rc简化为作用于直接顶的均布载荷q，则有：

ql2≈rc

步骤s103，根据所述工作面倾向结构载荷分布模型和所述工作面走向结构载荷模型，确定直接顶的均布载荷。

需要说明的是，将上述代入公式(2)可得：

q1、q2由老顶岩块重量及其上覆载荷构成：

q1＝hl1ρg+h2l1ρ1g(4)

q2＝hl2ρg+h2l2ρ1g(5)

式中，ρg为关键层的容重，kn/m³；ρ1g为关键块上覆载荷层容重，kn/m³；h2为关键块垮落顶板平均高度，m。

若取l1≈l2≈(2～3)h，q1≈q2，由式(3)～(5)得：

q＝(cosα+0.17sinα)(hρg+h2ρ1g)

＝1.01sin(α+80°)(hρg+h2ρ1g)(111)

根据式(111)，作用于直接顶的均布载荷q与岩块长度无关，与关键层厚度、上覆垮落岩层高度、煤层倾角有关。设一个仅与煤层倾角有关的系数k＝1.01sin(α+80°)，q＝k(hρg+h2ρ1g)，根据大倾角煤层30°～55°的开采条件，k随煤层倾角α的变化如图4所示。

可见，k随煤层倾角α的增大而减小，作用于直接顶的均布载荷随煤层倾角增大呈减小趋势，支架载荷随之减小。

根据倾向结构的特点，工作面中部岩块ⅱ的回转与下沉运动最大，工作面支架额定工作阻力应以中部载荷条件，构建顶板走向结构模型，进行支架额定工作阻力的设计。

较佳地，本发明实施例提供一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法，还包括：根据当顶煤与底板对支架提供的摩擦力大于支架自重引起的下滑力时支架稳定特征，确定支架防滑初撑力。

大倾角煤层工作面开采，支架需提供一定的初撑力维持其稳定性，支架受力分析如图5所示。

n＝p0+gscosα(7)

当顶煤与底板对支架提供的摩擦力大于支架自重引起的下滑力时，支架能够保持稳定，有：

f1+f2≥gssinα(10)

由式(7)～(10)得支架防滑初撑力为：

式中，为支架与顶煤间的摩擦系数；为支架与底板间的摩擦系数；p0为支架维持自稳的初撑力，kn；gs为支架的自重，kn；n为底板对支架的支持力，kn；f1为顶煤对支架的摩擦阻力，kn；f2为底板对支架的摩擦阻力，kn。

较佳地，本发明实施例提供一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法，还包括：根据支架防滑初撑力为支架载荷的75％，确定大倾角煤层工作面上区支架防滑的工作阻力。

考虑到初撑力与额定工作阻力存在合理比例关系，即初撑力为额定工作阻力的75％。大倾角煤层群下煤层工作面上区支架防滑的工作阻力pe0按下式计算：

步骤s104，根据大倾角煤层工作面顶板的倾向结构特征中工作面中区载荷最大特征，建立顶板结构分析模型。

需要说明的是，由于工作面中部支架载荷最大，构建工作面走向顶板结构模型如图6所示。

步骤s105，根据顶板结构分析模型、砌体梁结构分析方法和所述直接顶的均布载荷，通过公式(222)，确定工作面中区支架的支护阻力。

需要说明的是，借鉴台阶岩梁结构的分析方法，工作面支架的支护阻力pm由顶煤重量w0、直接顶重量wi及控制老顶滑落失稳的支护力r组成，则有：

pm＝(w0+wi)cosα+r(13)

w0＝h0blkρ0g(14)

wi＝h1blkρ1g(15)

式中，h0为顶煤厚度，m；b为支架宽度，m；ρ0g为顶煤容重，kn/m³；h1为直接顶厚度，m；lk为支架控顶距，m；ρ1g为直接顶容重，kn/m³；l为关键块走向长度，m；i为关键块块度，i＝h/l；θ1为关键块回转角，°；θ1max为关键块最大回转角，°。

由式(13)～(16)可得，工作面合理的支护阻力为：

步骤s106，根据所述工作面的支护阻力和支架支护效率，确定大倾角煤层工作面支架载荷。

考虑支架支护效率，则支护工作面中区顶板所需的额定工作阻力pe1为：

需要说明的是，支护工作面中区顶板所需的额定工作阻力即为大倾角煤层工作面支架载荷。

综上所述，大倾角煤层开采液压支架初撑力需要满足自稳条件，额定工作阻力需要满足平衡工作面中部顶板压力的要求。此外，还需满足初撑力与额定工作阻力的合理比例关系，即初撑力为额定工作阻力的75％。则有，确定大倾角工作面支架合理支护初撑力p0和额定工作阻力pe的确定判据为：

p0＝0.75pe(初撑力条件)(19)

根据大倾角工作面开采条件，取α＝30°～55°，gs＝130kn，μ＝0.9，带入公式(12)可得工作面上部防止支架下滑的工作阻力pe0＝58.3～183.2kn。可见，大倾角工作面支架维持自稳的工作阻力一般不大，主要以抗中区顶压条件(式333)来确定。

需要说明的是，本发明旨在建立一种大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法，为大倾角煤层的安全高效开采提供新技术，为此类条件矿井的安全开采提供理论指导。具体地，本发明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；分析得出支架维持自稳所需初撑力，建立支架额定工作阻力的确定判据，为支架的选型提供可靠依据。

本发明提供的工程实例：

王家山矿47408工作面煤层倾角平均33°，割煤高度2.6m，放煤高度7.7m，工作面选用zf4800/17/28型支架。根据工作面开采条件，可得各计算参数为：b＝1.5m；lk＝4.5m；h0＝7.7m；h1＝21m；h＝17m；h2＝18m；ρ0g＝13kn/m³；ρ1g＝23kn/m³；α＝33°；l＝25m；i＝0.7；θ1max＝10°；θ1＝3°；ρg＝25kn/m³；μ＝0.9。

将上述参数带入公式(111)，得：

q＝780kn/m²

再根据公式(222)、(333)，得：

pe1＝4837.1kn/架

因而，据理论计算方法，确定支架载荷为4837.1kn/架。

根据47408工作面开采实践，工作面选用额定工作阻力为4800kn/架的支架适用性良好，理论计算方法与工程实践所得结论基本相符。

由此可见，本专利所确定的大倾角煤层工作面支架载荷的确定方法具有可行性。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。