确定残煤复采综放工作面支架阻力的方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911312704.1 (22)申请日 2019.12.18 (71)申请人 太原理工大学 地址 030024 山西省太原市万柏林区迎泽 西大街79号 (72)发明人 王开侯建张小强张东峰 姜玉龙闫建兵岳少飞 (74)专利代理机构 太原高欣科创专利代理事务 所(普通合伙) 14109 代理人 邓东东冷锦超 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种确。

2、定残煤复采综放工作面支架阻力的 方法 (57)摘要 本发明一种确定残煤复采综放工作面支架 阻力的方法， 属于煤矿开采技术领域， 具体是依 据残采工作面过残留煤柱和过空巷的力学模型， 根据平衡条件来求取支架工作阻力计算公式， 再 根据公式求出支架工作阻力， 取工作阻力的最大 值为矿井最终为支架选型的依据； 本发明通过分 析残煤复采工作面的基本顶断裂的主要影响因 素， 建立残煤复采工作面过残留煤柱和空巷时的 支架围岩相互作用力学模型， 确定残煤复采工作 面合理的支架工作阻力， 可以为类似残煤复采工 作面支架选型提供依据。 权利要求书3页 说明书6页 附图3页 CN 111079292 A 2020。

3、.04.28 CN 111079292 A 1.一种确定残煤复采综放工作面支架阻力的方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 第一步， 计算残采工作面过残留煤柱时支架的工作阻力， 具体为： 1)将残采工作面过残留煤柱不规则岩层块体设为 “关键块B” ， 确定顶板 “关键块” B的稳 定条件须满足式 ： T(cos sin-sin cos)V(cos cos-sin sin) ( ) 2)由式 得出式： 判断式不等式成立与否， 若式不等式成立，“关键块B” 不会沿断裂线滑移， 即不会 出现回转或滑落失稳， 自身能够保持稳定不需要支架提供有效的支护阻力； 若式不等式不成立则 “关键块B” 保持稳定的条。

4、件是需要支架提供有效的支护阻力与 断裂面上的摩擦力共同平衡拱脚竖向载荷， 因此， 根据平衡条件可推出支架所需提供的支 护阻力公式； 3)根据N.Barton准则， 推出断裂面上的摩擦角， 式： 根据式与， 可得出在N.Barton准则下， 当考虑顶煤与直接顶对支架作用时， 推出支 架所需提供的工作阻力表达式： PV-Tf+P1 () 将式代入式、 、 ， 推出支架工作阻力计算的最终公式为： 以上公式中， T为块体B对块体A的水平推力； V为块体B拱脚的竖向载荷； 为基本顶岩层断裂角； 为断裂线与垂直方向的夹角； JRC为基本顶岩层断裂面粗糙系数； JCS为基本顶岩层裂缝壁有效抗压强度， 取基本。

5、顶岩层实验室测定的轴向抗压强度值； G为拱脚处水平力挤压高度系数， G0.018H-0.0195； H为基本顶岩层计算厚度； 为基本顶断裂面基础摩擦角； 1为直接顶的体积力， kN/m3； 2为顶煤的体积力， kN/m3； M2为顶煤的厚度； a为支架控顶距； b为支架宽度； h为直接顶厚度； 为关键块B回转下沉量； q为关键块B上表面单位载荷， MPa； M为煤 厚， m； b为支架宽度； 2为岩块容重， kN/m3； P为支架工作阻力； 1为煤层容重。 第二步， 计算残采工作面过空巷时支架的工作阻力， 具体为： 权利要求书 1/3 页 2 CN 111079292 A 2 将跨空巷的 “关。

6、键块B” 力学模型简化为关键块受力分析模型， 通过对关键块结构受力 状态进行分析， 确定液压支架可安全通过空巷时所需工作阻力， 根据关键块的平衡条件以 及防止沿空滑落失稳的条件， 建立关键块B的平衡方程， 分别为式、 ： 2R1(A+x)/3+T(h-a)-(P1Lcos 1)/20 () P1R1+QA () 同时， 建立防止沿空滑落失稳方程式， 对长关键块B受力分析支架和空巷上方煤层及直接顶岩层进行力学分析， 对顶煤及直 接顶列平衡方程分别为式、 ； F0+PQ+R1 ()； 根据式、 推出空巷对顶煤的支承力表达式和支架工作阻力表达力； 第三步， 比较残采工作面过空巷时支架的工作阻力和残采。

7、工作面过残留煤柱时支架的 工作阻力， 选择较大值确定为残煤复采综放工作面支架所受阻力。 2.根据权利要求1所述的一种确定残煤复采综放工作面支架阻力的方法， 其特征在于， 所述式 中的 3.根据权利要求1所述的一种确定残煤复采综放工作面支架阻力的方法， 其特征在于， 式中，和 L2为关键块B的长度； q2为基本顶岩层受顶板自重等效的均布载荷； L1为非关键块B的长 度； XcL1 cos 1；LL1+L2；YM- H-h(Kp-1)； 4.根据权利要求1所述的一种确定残煤复采综放工作面支架阻力的方法， 其特征在于， 式中， P12M2ab+1hab。 5.根据权利要求1所述的一种确定残煤复采综放。

8、工作面支架阻力的方法， 其特征在于， 式中， 6.根据权利要求1所述的一种确定残煤复采综放工作面支架阻力的方法， 其特征在于， QQ1+Q2b(A+x)(m1+h2)。 权利要求书 2/3 页 3 CN 111079292 A 3 7.根据权利要求1所述的一种确定残煤复采综放工作面支架阻力的方法， 其特征在于， 当未对空巷做任何充填处理， 则F00。 权利要求书 3/3 页 4 CN 111079292 A 4 一种确定残煤复采综放工作面支架阻力的方法 技术领域 0001 本发明属于煤矿开采技术领域， 具体为一种确定残煤复采综放工作面支架阻力的 方法。 背景技术 0002 过去许多矿井采用巷柱。

9、式(以掘代采)及巷放式采煤方法， 为了保证回采巷道的稳 定性， 旧采区内遗留了大量的煤柱， 造成了优质资源的极大浪费， 其中包括无烟煤、 焦煤等。 0003 随着煤炭资源的过度开采， 优质煤炭资源日趋紧张， 为保证煤炭工业的可持续发 展， 必须对遗留优质 “残煤” 进行复采。 在残煤复采区进行复采时， 受旧式采煤法影响， 复采 区随机分布着大量不规则的空巷、 冒顶区及煤柱， 造成围岩空间应力分布复杂， 工作面回采 时， 煤壁片帮、 端面冒顶、 矿山压力显现不均、 顶板断裂及运动规律复杂， 围岩控制难度大及 支架适应性差等问题突出， 这些问题严重制约了残煤复采的发展。 0004 当前， 国内外学。

10、者对残采的研究主要为工作面过煤柱、 空巷过程中， 围岩应力分布 规律及矿压显现特征， 而对支架选型方面的研究相对较少， 支架选型是工作面围岩控制的 关键， 是工作面实现安全高效回采的保证， 因此支架选型合理对残煤复采至关重要。 而支架 选型的前提工作首先是对工作面支架工作阻力的确定， 只有精确的了解工作面支架所受阻 力的大小， 才能根据井下不同的情况和环境选择适宜的支护方式。 发明内容 0005 本发明克服现有技术存在的不足， 提供一种确定残煤复采综放工作面支架阻力的 方法。 目的在于克服现有计算方法对应用于残煤复采存在的缺陷， 根据残煤复采工作面的 特点， 通过对残煤复采工作面与实体煤工作面。

11、基本顶岩块断裂过程进行分析， 确定残采工 作面支架过残留煤柱的支架工作阻力。 0006 本发明是通过如下技术方案实现的。 0007 根据残煤复采工作面的特点， 通过对残煤复采工作面与实体煤工作面基本顶岩块 断裂过程进行分析可知： 空巷宽度与煤柱让压变形是影响基本顶断裂的主要因素， 因此， 提 出一种支架过残留煤柱以及空巷的两种情况下支架工作阻力确定方法。 0008 支架工作阻力的确定方法， 包括残煤复采工作面过残留煤柱以及过空巷两种情 况： 0009 a.工作面过残留煤柱： 0010 在宋振骐院士 “传递岩梁” 结构如图1的基础上结合残煤复采工作面过残留煤柱实 际情况， 推出残煤复采过残留煤柱。

12、工作面支架围岩相互作用力学模型如图2， 图2中块体B与 块体A铰接后形成平衡结构， 为研究支架对围岩的支护作用， 取块体B分离体为顶板来压强 度力学模型， 其受力状态如图3所示， 通过顶板来压强度力学模型确定残煤复采工作面液压 支架工作阻力计算公式。 0011 分析顶板来压强度力学模型， 确定顶板关键块B的稳定条件须满足式(1)并根据式 说明书 1/6 页 5 CN 111079292 A 5 (1)推出式(2)； 0012 判断式(2)成立， 若式(2)成立则关键块B能够保持稳定不需要支架提供有效的支 护阻力； 若式(2)不成立则关键块B保持稳定的条件是支架提供有效的支护阻力与断裂面上 的摩。

13、擦力共同平衡拱脚竖向载荷， 因此， 根据平衡条件可得支架所需提供的支护阻力公式 (3)； 0013 根据N.Barton准则， 推出断裂面上的摩擦角(4)； 0014 根据(3)与(4)可得出在N.Barton准则下， 当考虑顶煤与直接顶对支架作用时， 推 出支架所需提供的工作阻力表达式(5)； 0015 带入前面的参数推出支架工作阻力计算的最终公式为(6)。 0016 b.工作面过空巷： 0017 在宋振骐院士 “传递岩梁” 结构如图1的基础上结合残煤复采工作面回采揭露空巷 时的实际情况建立跨空巷长关键块力学模型如图4(关键块横跨采空区、 工作面、 旧空巷， 这 种关键块称之为跨空巷长关键块。

14、)， 将图4跨空巷关键块B力学模型简化为如图5示关键块受 力分析图， 通过对关键块结构受力状态进行分析， 以此确定液压支架可安全通过空巷时所 需工作阻力。 0018 根据关键块的平衡条件以及防止沿空滑落失稳的条件， 建立关键块平衡方程(7)、 (8)和防止沿空滑落失稳方程(9)； 0019 对长关键块受力分析图中支架和空巷上方煤层及直接顶岩层进行力学分析， 对顶 煤及直接顶列平衡方程(10)、 (11)； 0020 根据式(10)、 (11)推出空巷对顶煤的支承力表达式(12)和支架工作阻力表达力 (13)。 0021 公式(1)如下所示： 0022 T(cos sin-sin cos)V(c。

15、os cos-sin sin) 0023 公式(2)如下所示： 0024 0025 公式(3)如下所示： 0026 0027 公式(4)如下所示： 0028 0029 公式(5)如下所示： 0030 PV-Tf+P1 0031 公式(6)如下所示： 0032 0033 公式(7)如下所示： 说明书 2/6 页 6 CN 111079292 A 6 0034 2R1(A+x)/3+T(h-a)-(P1Lcos 1)/20 0035 公式(8)如下所示： 0036 P1R1+QA 0037 公式(9)如下所示： 0038 0039 公式(10)如下所示： 0040 0041 公式(11)如下所示：。

16、 0042 F0+PQ+R1 0043 公式(12)如下所示： 0044 0045 公式(13)如下所示： 0046 0047 式中， 为基本顶岩层断裂角， ； L2为块体B的长度， m； q2为基本顶岩层受顶板自重 等效的均布载荷； 为断裂线与垂直方向的夹角； L1为块体A的长度， m； XcL1 cos1； LL1+L2；YM-H-h(Kp-1)； JRC为基本顶岩层断裂面 粗糙系数； JCS为基本顶岩层裂缝壁有效抗压强度， 可取基本顶岩层实验室测定的轴向抗压 强度值； G为拱脚处水平力挤压高度系数G0.018H-0.0195； H为基本顶岩层计算厚度； 为 基本顶断裂面基础摩擦角， ； 。

17、1为直接顶的体积力， kN/m3； 2为顶煤的体积力， kN/m3； M2为 顶煤的厚度， m； a为支架控顶距， m； b为支架宽度， m； h为直接顶厚度； 为关键块B回转下 沉量， m； q为关键块B上表面单位载荷， MPa； M为煤厚， m； b为支架宽度； 2为岩块容重， kN/m3； Kp为碎胀系数； F0为空巷对顶煤的支承力； P为支架工作阻力； Q1为单位顶煤的载荷； Q2为单 位直接顶的载荷； 1为煤层容重， T为块体B对块体A的水平推力； V为块体B拱脚的竖向载 荷。 0048 最后比较残采工作面过空巷时支架的工作阻力和残采工作面过残留煤柱时支架 的工作阻力， 选择较大值确。

18、定为残煤复采综放工作面支架所受阻力。 0049进一步的， 所述式(1)中的 0050进一步的， 式(3)中，和L2为关键块B 的长度； q2为基本顶岩层受顶板自重等效的均布载荷； L1为非关键块B的长度； XcL1 cos 1； 说明书 3/6 页 7 CN 111079292 A 7 LL1+L2；YM-H-h(Kp-1)； 0051进一步的， 式5中， P12M2ab+1hab， 0052 进一步的， 公式10-13中的QQ1+Q2b(A+x)(m1+h2)。 0053 进一步的， 当未对空巷做任何充填处理， 则F00。 0054 本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。 0055 当残煤。

19、复采工作面通过残留煤柱支架极易发生失稳事故， 本发明针对残煤复采工 作面的实际情况分析过残留煤柱和空巷时支架阻力计算方法， 并取其中的最大值为最终为 支架选型的依据。 对于每一种情况通过建立相应的力学模型， 根据相应的平衡条件来求取 不同情况下的支架工作阻力确定公式。 本发明通过分析残煤复采工作面的基本顶断裂的主 要影响因素， 建立残煤复采工作面过残留煤柱和空巷支架围岩相互作用力学模型， 确定残 煤复采工作面合理的支架工作阻力， 可以为类似残煤复采工作面支架选型提供依据。 附图说明 0056 图1为实施例中残煤复采相似模拟实验模型图。 0057 图2为实施例中所述过残留煤柱支架围岩相互作用力学。

20、模型。 0058 图3为实施例中所述顶板来压强度力学模型。 0059 图4为实施例中跨空巷长关键块力学模型。 0060 图5为实施例中长关键块受力分析图。 0061 其中， 图中W为煤柱宽度； Ax为空巷宽度； M为采高； Hmax为关键块厚度； T为关键块水 平挤压力； 1与 2分别为岩块B、 C回转角； QA 与QB 分别为两岩块所受剪切力； A、 x为空巷、 支架控顶距长度； L、 l分别为关键块B、 C的长度； P1、 P2分别为关键块B、 C的自重及上覆岩层 集中载荷； R1、 R2分别为直接顶及矸石对关键块B、 C的支承力； d为岩块接触长度。 具体实施方式 0062 为了使本发明。

21、所要解决的技术问题、 技术方案及有益效果更加清楚明白， 结合实 施例和附图， 对本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明， 并不用于限定本发明。 下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案， 但 保护范围不被此限制。 0063 在宋振骐院士 “传递岩梁” 结构如图1的基础上结合残煤复采工作面过残留煤柱实 际情况， 推出残煤复采过残留煤柱工作面支架围岩相互作用力学模型如图2， 图2中块体B与 块体A铰接后形成平衡结构， 为研究支架对围岩的支护作用， 取块体B分离体为顶板来压强 度力学模型， 其受力状态如图3所示， 通过顶板来压强度力学模型确定残煤复采工。

22、作面液压 支架工作阻力计算公式。 0064 在宋振骐院士 “传递岩梁” 结构如图1的基础上结合残煤复采工作面回采揭露空巷 时的实际情况建立跨空巷长关键块力学模型如图4(关键块横跨采空区、 工作面、 旧空巷， 这 说明书 4/6 页 8 CN 111079292 A 8 种关键块称之为跨空巷长关键块)， 将图4跨空巷关键块B力学模型简化为如图5示关键块受 力分析图， 通过对关键块结构受力状态进行分析， 以此确定液压支架可安全通过空巷时所 需工作阻力。 0065 以关岭山煤业30102残煤复采放顶煤工作面为例， 3号煤层厚度为4.355.5m， 平 均厚4.50m， 倾角为36 ， 煤层平均埋深为。

23、187m。 该矿由于受开采工艺及装备水平的限制， 旧式开采一直采用 “采底留顶” 的巷柱式采煤法进行回采。 据调查分析， 关岭山煤矿过去回 采时， 巷道主要沿煤层底部掘进。 部分顶板较稳定的地段采用掏帮、 扩帮的方式采煤， 掏帮、 扩帮的范围视煤层顶板性质而定， 掏帮、 扩帮后， 采空区宽度约为68m。 开采后在旧采区域 内遗留了若干大小不一、 形状各异的煤柱， 这些煤柱部分被压垮或压酥， 部分保持完好。 30102首采工作面回采巷道在掘进过程中共揭露50条巷道， 工作面回采过程中发现27条与 工作面倾向平行或成小角度相交空巷， 旧空巷宽度主要集中在2.53m， 空巷高度主要集中 在2.22.。

24、5m， 煤柱宽度多为930m。 采高M2.5m， 直接顶碎胀系数Kp1.25， 基本顶岩层 破断角 70 ， 直接顶岩层视密度 2.48t/m3， 基本顶岩层视密度 2.7t/m3， 基本顶岩层 抗拉强度系数K0.9， 基本顶承载岩层厚度Hmax24.58m， 基本顶岩层轴向抗拉强度c 6.33105kg/m2， 基本顶岩层受顶板自重均布载荷q2 gHmax； 基本顶岩层断裂面粗糙 系数JRC15； 基本顶岩层裂缝壁有效抗压强度JCS5408t/m2； 基本顶岩层断裂面基础摩 擦角空巷A为8m， 控顶距x宽为5.5m， 煤厚M为4.5m， 顶煤厚度为2m； 直接顶厚度h为 3.5m， 煤层容重。

25、为14.2kN/m3， 直接顶容重为23.1kN/m3； 碎涨系数取1.25；直接顶内摩擦角 32 。 0066 工作面过残留煤柱时支架工作阻力计算如下： 0067 0068 0069 0070由可知则块体B保持稳定的条件为支架能 够提供有效的支护阻力与断裂面上的摩擦力共同平衡拱脚竖向载荷V。 0071 0072 p12M2ab+1hab781.45kN/架 0073 PV-Tf+p15387kN/架 0074 工作面过空巷时支架工作阻力计算如下： 0075经公式(13)计算得过空巷时， 支架临界支护阻力为 0076 将关岭山煤矿相关参数带入计算公式， 得出复采工作面过煤柱时支架工作阻力为 5。

26、387kN， 过空巷时支架工作阻力为4994kN， 最终支架选型时取最大值5387kN。 说明书 5/6 页 9 CN 111079292 A 9 0077 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明， 不能认定 本发明的具体实施方式仅限于此， 对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在不脱 离本发明的前提下， 还可以做出若干简单的推演或替换， 都应当视为属于本发明由所提交 的权利要求书确定专利保护范围。 说明书 6/6 页 10 CN 111079292 A 10 图1 图2 说明书附图 1/3 页 11 CN 111079292 A 11 图3 图4 说明书附图 2/3 页 12 CN 111079292 A 12 图5 说明书附图 3/3 页 13 CN 111079292 A 13 。