【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于煤炭開采技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種淺埋近距離煤層群開采頂板初次來(lái)壓支架支護(hù)阻力的確定方法。

背景技術(shù)：

陜北侏羅紀(jì)煤田是我國(guó)特大型煤炭資源基地，該區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量大、煤層埋藏淺，可采煤層多，開采條件相對(duì)簡(jiǎn)單。但煤田內(nèi)各礦井隨著開采規(guī)模逐年加大，部分區(qū)域的第一煤層已經(jīng)開采完畢，將開始進(jìn)行第二、三主采煤層的開采。根據(jù)多年來(lái)的生產(chǎn)實(shí)踐，煤層群開采過(guò)程中在對(duì)下部煤層開采時(shí)容易出現(xiàn)異常壓架、煤壁片幫、兩巷底鼓量增大、冒頂?shù)葎×襾?lái)壓現(xiàn)象，不僅嚴(yán)重威脅到了操作人員的安全，而且制約了礦井的安全高效生產(chǎn)。

目前，淺埋近距離煤層群下煤層開采頂板初次來(lái)壓頂板結(jié)構(gòu)特征及支架載荷的確定均是采用單一淺埋煤層開采的頂板結(jié)構(gòu)特征來(lái)確定支架載荷，但計(jì)算過(guò)程中并未考慮上煤層已經(jīng)開采形成不均載荷的作用特征，也未考慮在不均載荷作用下的頂板破斷規(guī)律及特征。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種考慮下煤層工作面在重復(fù)采動(dòng)、載荷層厚度增大且加載不均情況下的淺埋近距離煤層群開采頂板初次來(lái)壓支架支護(hù)阻力的確定方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

淺埋近距離煤層群開采頂板初次來(lái)壓支架支護(hù)阻力的確定方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)建立淺埋近距離煤層群下煤層關(guān)鍵層固支梁力學(xué)模型，并推導(dǎo)出下煤層關(guān)鍵層受不均載荷作用下的初次破斷距計(jì)算公式：

下煤層關(guān)鍵層初次破斷距決定了b關(guān)鍵塊的長(zhǎng)度；其中，h1為下煤層關(guān)鍵層厚度，q1為上煤層關(guān)鍵層鉸接部分對(duì)應(yīng)下煤層關(guān)鍵層所受載荷，q2為上煤層關(guān)鍵層有一定壓實(shí)部分對(duì)應(yīng)下關(guān)鍵層所受載荷，rt為巖石抗拉強(qiáng)度；

2)支架必須提供的支護(hù)阻力p由靜態(tài)支護(hù)阻力pm和動(dòng)態(tài)載荷fd組成；

3)煤層群下煤層開采過(guò)程中，初次來(lái)壓時(shí)支架受到的平均壓力為未來(lái)壓時(shí)的1.3倍以上，則認(rèn)定動(dòng)載系數(shù)kd為0.3以上，即頂板的動(dòng)態(tài)載荷fd為：

fd＝kd·pm＝0.3pm

則初次來(lái)壓支架的支護(hù)阻力為：p≥pm+fd＝1.3pm。

本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：

按照各巖層或巖組對(duì)支架作用力空間位置從下向上的順序，支架靜態(tài)支護(hù)阻力pm分別為下煤層直接頂重量、下煤層關(guān)鍵層垮落頂板載荷、上煤層關(guān)鍵層垮落頂板載荷以及靜態(tài)支護(hù)阻力；

其中，下煤層關(guān)鍵層初次破斷后形成了兩個(gè)關(guān)鍵塊：靠近工作面一側(cè)的b關(guān)鍵塊及靠近采空區(qū)一側(cè)的c關(guān)鍵塊，兩相鄰關(guān)鍵塊與兩側(cè)煤壁相互鉸接。

下煤層直接頂重量：

w＝lkb∑hγ

上式中，lk為支架頂梁長(zhǎng)度，b為支架寬度，h為下煤層直接頂厚度，γ為下煤層直接頂容重。

下煤層關(guān)鍵層垮落頂板載荷：

pb＝pgb+pzb

上式中，pgb為b關(guān)鍵塊有效傳遞重量，pzb為上煤層直接頂有效載荷。

上煤層關(guān)鍵層垮落頂板載荷：

pf＝pgf+pzf

上式中，pgf為f關(guān)鍵塊(上煤層關(guān)鍵層破斷后，位于b關(guān)鍵塊上部的巖塊)有效傳遞重量，pzf為上煤層關(guān)鍵層有效載荷。

靜態(tài)支護(hù)阻力為：

pm＝w+pb+pf

其中，pm為支架的靜態(tài)支護(hù)阻力，w為下煤層直接頂載荷，pb為下煤層關(guān)鍵層垮落頂板載荷，pf為上煤層關(guān)鍵層垮落頂板載荷。

其特征在于，

建立淺埋近距離煤層群下煤層關(guān)鍵層固支梁力學(xué)模型：

其中，ma為a點(diǎn)的彎矩，q1為上煤層關(guān)鍵層鉸接部分對(duì)應(yīng)下煤層關(guān)鍵層所受載荷，q2為上煤層關(guān)鍵層壓實(shí)部分對(duì)應(yīng)下關(guān)鍵層所受載荷，lq為受q1作用的梁的長(zhǎng)度，lh為q2作用的梁的長(zhǎng)度，mx為所求梁上任意一點(diǎn)的彎矩，x為任意一點(diǎn)距m點(diǎn)的水平距離。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明在綜合現(xiàn)有單一淺埋煤層開采頂板初次來(lái)壓支架載荷計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，首次考慮了上煤層已采，下煤層開采頂板載荷層增大且受載不均，礦壓動(dòng)載顯現(xiàn)明顯，臺(tái)階下沉量較大等因素，提出了淺埋煤層群開采初次來(lái)壓結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)稱為“非對(duì)稱三鉸拱梁與拱殼載荷結(jié)構(gòu)”、建立了固支梁力學(xué)模型，推導(dǎo)了下煤層頂板受不均載荷作用下的初次破斷步距計(jì)算公式、得出了動(dòng)靜載荷作用下的煤層群開采初次來(lái)壓支架的支護(hù)阻力計(jì)算方法。由此計(jì)算得出的淺埋煤層群開采次來(lái)壓支架的支護(hù)阻力更合理科學(xué)，更有利于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)及應(yīng)用。

【附圖說(shuō)明】

圖1是本發(fā)明非對(duì)稱三鉸拱梁與拱殼載荷的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明下煤層頂板初次來(lái)壓載荷分布的示意圖；

圖3是本發(fā)明下煤層關(guān)鍵層固支梁力學(xué)模型的示意圖；

圖4是本發(fā)明頂板初次來(lái)壓支架圍巖關(guān)系力學(xué)模型。

圖中：a，b，c，d–下煤層開采關(guān)鍵塊；e，f–上煤層關(guān)鍵塊；q1–上煤層關(guān)鍵層鉸接部分對(duì)應(yīng)下煤層關(guān)鍵層所受載荷；q2–上煤層關(guān)鍵層壓實(shí)部分對(duì)應(yīng)下關(guān)鍵層所受載荷；lq–下煤層頂板初次破斷前部巖塊長(zhǎng)度，lh–下煤層頂板初次破斷后部巖塊長(zhǎng)度；l1–上煤層頂板初次破斷跨距，l2–下煤層頂板初次破斷跨距；h–下煤層開采直接頂厚度；h1–下煤層開采關(guān)鍵層厚度；h2–已采上煤層直接頂厚度；h3–已采上煤層關(guān)鍵層厚度。各參數(shù)的選擇均依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地質(zhì)條件。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本發(fā)明適應(yīng)于近距離煤層群開采條件下的普遍煤層，尤其適用于淺埋煤層的基本條件。其基本結(jié)構(gòu)包含下煤層直接頂、下煤層關(guān)鍵層、下煤層關(guān)鍵層與上煤層關(guān)鍵層層間覆巖、上煤層關(guān)鍵層、上煤層關(guān)鍵層直至地表間的載荷層。

1)煤層群是指，由上、下多層兩層煤和巖體組成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。近距離煤層群下煤層開采層間覆巖一般只有一層關(guān)鍵層(對(duì)上部巖層起到主要控制作用的堅(jiān)硬巖層)，隨開采頂板初次來(lái)壓(關(guān)鍵層初次完全破斷)時(shí)，所形成的結(jié)構(gòu)包括：下煤層直接頂(隨開采直接垮落的巖層)、下煤層關(guān)鍵層、下煤層關(guān)鍵層與上煤層關(guān)鍵層層間覆巖、上煤層關(guān)鍵層、上煤層關(guān)鍵層直至地表間的載荷層。

本發(fā)明淺埋近距離煤層群開采頂板初次來(lái)壓支架支護(hù)阻力的確定方法，包括以下步驟：

1)淺埋近距離煤層群上煤層開采后，老頂破斷巖塊形成鉸接結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致邊界處頂板充填不實(shí)，對(duì)間隔巖層頂板的載荷不均。壓實(shí)狀態(tài)的f巖塊載荷較高，稱為應(yīng)力恢復(fù)區(qū)；靠近邊界的e巖塊處于應(yīng)力降低區(qū)，導(dǎo)致下煤層頂板有q1＜q2。下煤層頂板初次來(lái)壓形成“下部為非對(duì)稱三鉸拱，上部為拱殼載荷體”的結(jié)構(gòu)，即淺埋近距離煤層群開采初次來(lái)壓結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)稱為“非對(duì)稱三鉸拱梁與拱殼載荷結(jié)構(gòu)”。由此建立了淺埋近距離煤層群下煤層老頂關(guān)鍵層固支梁力學(xué)模型：

其中，ma為a點(diǎn)的彎矩，q1為上煤層關(guān)鍵層鉸接部分對(duì)應(yīng)下煤層關(guān)鍵層所受載荷，q2為上煤層關(guān)鍵層壓實(shí)部分對(duì)應(yīng)下關(guān)鍵層所受載荷，lq為受q1作用的梁的長(zhǎng)度，lh為q2作用的梁的長(zhǎng)度，mx為所求梁上任意一點(diǎn)的彎矩，x為任意一點(diǎn)距m點(diǎn)的水平距離。

根據(jù)上述力學(xué)模型，推導(dǎo)出下煤層頂板受不均載荷作用下的初次破斷步距計(jì)算公式，具體推導(dǎo)過(guò)程如下：

根據(jù)拉破壞準(zhǔn)則，巖梁的極限跨距為：

式中：rt為巖石抗拉強(qiáng)度，mpa；h為間隔巖層厚度，m。

由于間隔巖層受不均勻載荷的作用，可得：

將式(1)代入式(3),可得出下煤層頂板受不均載荷作用下的初次破斷步距計(jì)算公式：

該公式?jīng)Q定了關(guān)鍵塊b的長(zhǎng)度，直接影響著支架的受力情況。

其中，h1為下煤層關(guān)鍵層厚度，q1為上煤層關(guān)鍵層鉸接部分對(duì)應(yīng)下煤層關(guān)鍵層所受載荷，q2為上煤層關(guān)鍵層壓實(shí)部分對(duì)應(yīng)下關(guān)鍵層所受載荷，rt為巖石抗拉強(qiáng)度；

2)按照下煤層直接頂、下煤層關(guān)鍵層跨落頂板(包括下煤層關(guān)鍵層及包括下煤層關(guān)鍵層與上煤層關(guān)鍵層層間覆巖)、上煤層關(guān)鍵層垮落頂板(上煤層關(guān)鍵層、上煤層關(guān)鍵層直至地表間的載荷層)分別對(duì)支架的作用力，建立支架受力的力學(xué)模型，支架必須提供的支護(hù)阻力p由靜態(tài)支護(hù)阻力pm和動(dòng)態(tài)載荷fd組成；

煤層群下煤層開采過(guò)程中，初次來(lái)壓時(shí)支架受到的平均壓力為未來(lái)壓時(shí)的1.3倍以上，則認(rèn)定動(dòng)載系數(shù)kd為0.3(為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值)以上，即頂板的動(dòng)態(tài)載荷fd為：

3)支架靜態(tài)支護(hù)阻力pm由按照從下向上的順序分別為：

3-1)下煤層直接頂重量w＝lkb∑hγ，其中，lk為支架頂梁長(zhǎng)度，b為支架寬度，h為下煤層直接頂厚度，γ為直接頂容重；

3-2)下煤層關(guān)鍵層垮落頂板載荷pb＝pgb+pzb，其中，pgb為b關(guān)鍵塊有效傳遞重量，pzb為上煤層直接頂有效載荷；

3-3)上煤層關(guān)鍵層垮落頂板載荷pf＝pgf+pzf，其中，pge為f關(guān)鍵塊有效傳遞重量，pzf為上煤層關(guān)鍵層有效載荷；

3-4)靜態(tài)支護(hù)阻力為：

4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，煤層群下煤層開采過(guò)程中，初次來(lái)壓時(shí)支架受到的平均壓力為未來(lái)壓時(shí)的1.3倍以上，可認(rèn)定動(dòng)載系數(shù)kd為0.3以上，即頂板的動(dòng)態(tài)載荷fd為：fd＝kd·pm＝0.3pm

5)通過(guò)以上分析，初次來(lái)壓支架的支護(hù)阻力：p≥pm+f＝1.3pm。

實(shí)施例：

參見圖1-3，以神府礦區(qū)4^-4煤層及5^-2煤層的開采為例，上煤層厚1m，煤層間距35m，5^-2煤厚6m，冒落帶高度為23m，關(guān)鍵層粉砂巖厚度為10.9m，塊度為0.917?；鶐r容重為27kn/m³，載荷層平均容重為24kn/m³，上煤層關(guān)鍵層距地表80m。

直接頂重量：w＝lkbm∑hγ＝5.4×23×27×1.75＝5868kn。hm為冒落帶高度，b為支架寬度，r為基巖容重。

f關(guān)鍵塊及上覆有效載荷：pf＝pgf+pzf＝4320+18900＝23220kn。

f關(guān)鍵塊結(jié)構(gòu)失穩(wěn)所傳遞載荷：rf＝5690kn。

b關(guān)鍵塊及上覆有效載荷：pb＝pgb+pzb＝5940+23639＝29579kn。

下煤層關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)對(duì)支架的作用力：rd＝10697kn。

支架的靜載支護(hù)阻力：pm＝10697+5868＝17665kn。

工作面間隔巖層頂板破斷時(shí)，頂板結(jié)構(gòu)及其載荷的運(yùn)動(dòng)沖擊，對(duì)支架載荷有較大影響。

f＝kd·pm＝0.3pm＝0.3×17655＝5296.5kn

同時(shí)考慮靜載與動(dòng)載的作用，控制下煤層頂板穩(wěn)定的最小支護(hù)阻力為：

p＝pm+f＝17665+5296.5＝22961.5kn

神府礦區(qū)5^-2煤層開采使用工作阻力為16000kn/架的液壓支架，初次來(lái)壓時(shí)工作面中部支架安全閥開啟頻繁，實(shí)測(cè)動(dòng)載系數(shù)可達(dá)1.3以上，最大支架載荷達(dá)到隨著基載比的大幅減小，相同地質(zhì)條件下的煤層群開采時(shí)的支架受力較單一煤層開采相應(yīng)上升，可說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與理論計(jì)算結(jié)果相符。

以上內(nèi)容僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。