一种浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法

摘要

本发明公开了一种浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法，该方法包括：计算下煤层间隔岩层关键层台阶下沉量b1和上煤层已扰动关键层的台阶下沉量b2；确定浅埋近距离煤层群开采顶板周期破断结构形态；建立支架受力的力学模型；从下至上确定每个浅埋近距离煤层群开采顶板周期破断结构的支架静态载荷Pm；确定支架应提供的支护阻力P。因此，本发明提供的浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法，根据不同煤岩组合所导致的不同顶板结构形态对支架受力的影响及上煤层已采后下煤层开采顶板载荷层增大、受载不均和台阶下沉量较大等因素，建立三种力学模型，计算动静载荷作用下的浅埋近距离煤层群开采周期来压时的支架应提供的支护阻力。

说明书

技术领域

本发明涉及煤炭开采技术领域，尤其涉及一种浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法。

背景技术

我国西部的神府东胜煤田煤炭资源储量丰富，主要开采浅埋近距离煤层群。近距离煤层群的煤层间隔岩层厚度小，间隔岩层内一般仅具有单一关键层。随着位于最顶部的上煤层开采结束，各矿区普遍转入煤层群的下煤层开采阶段。不同煤层组合的煤层群下煤层工作面处于上煤层采空区之下，顶板周期来压步距减小，强度增大，台阶下沉明显，严重影响工作面安全和高效生产。

浅埋近距离煤层群开采的顶板周期破断结构形态直接影响采场支架的受力。然而，目前的浅埋煤层采场顶板岩层控制理论，主要集中在单一煤层开采，无法确定浅埋近距离煤层群下煤层开采周期来压支架的受力情况。

发明内容

本发明实施例提供了一种浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法，解决了现有技术中无法确定浅埋近距离煤层群下煤层开采周期来压时的支架的受力和应提供的支护阻力的问题。

一方面，本发明实施例提供的一种浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法，包括：S1，根据下煤层采高m₁和直接顶厚度h及直接顶碎胀系数k_p1，确定下煤层间隔岩层关键层台阶下沉量b₁：b₁＝m₁-h(k_p1-1)；S2，根据所述下煤层间隔岩层关键层台阶下沉量b₁、上煤层已扰动关键层与下煤层间隔岩层关键层之间的垂直距离h₂、上煤层采高m₂和所述上煤层已扰动关键层与所述下煤层间隔岩层关键层之间的岩层再次扰动后的二次碎胀系数k_p2计算所述上煤层已扰动关键层的台阶下沉量b₂：b₂＝b₁-(h₂-m₂)(k_p2-1)；S3，根据该S1及S2得到的该上煤层已扰动关键层的该台阶下沉量b₂和该下煤层间隔岩层关键层的该台阶下沉量b₁确定浅埋近距离煤层群开采顶板周期破断结构形态：当b₁>0，b₂>0，则该浅埋近距离煤层群开采顶板周期破断结构形态为“上台阶岩梁-下台阶岩梁”结构；当b₁>0，b₂≤0，则该浅埋近距离煤层群开采顶板周期破断结构形态为“上砌体梁-下台阶岩梁”结构；当b₁≤0，b₂≤0，则该浅埋近距离煤层群开采顶板周期破断结构形态为“上砌体梁-下砌体梁”结构；S4，建立支架受力的力学模型，确定支架静态载荷P_m，包括分别确定“上台阶岩梁-下台阶岩梁”结构的支架静态载荷P_m1、“上砌体梁-下台阶岩梁”结构的支架静态载荷P_m2及“上砌体梁-下砌体梁”结构的支架静态载荷P_m3：

其中，L_k为控顶距，b为支架宽度，h为下煤层直接顶厚度，γ为直接顶容重，h₁为下煤层间隔岩层关键层厚度，h₂为所述上煤层已扰动关键层与所述下煤层间隔岩层关键层之间的岩层厚度，h₃为上煤层已扰动关键层厚度，h₄为上煤层已扰动关键层的载荷层厚度，L₁为B关键块长度，L₂为E关键块长度，θ₁为B关键块回转角，θ_1max为B关键块最大回转角，θ₂为E关键块回转角，θ_2max为E关键块最大回转角，γ₁下煤层间隔岩层关键层容重，γ₂为上煤层已扰动关键层与下煤层间隔岩层关键层之间岩层容重，γ₃为上煤层已扰动关键层容重，γ₄为上煤层已扰动关键层的载荷层容重，i₁＝h₁/L₁为为B关键块块度，i₂＝h₃/L₂为E关键块块度，m₂为上煤层采高，K_G为载荷层的载荷传递系数，其中，所述下煤层间隔岩层关键层跨落顶板包括所述下煤层间隔岩层关键层及下煤层间隔岩层关键层与上煤层已扰动关键层之间的岩层，所述上煤层已扰动关键层垮落顶板包括所述上煤层已扰动关键层及所述上煤层已扰动关键层至地表间的载荷层，所述B关键块位于所述下煤层间隔岩层关键层中，所述E关键块位于所述上煤层已扰动关键层中；S5、确定支架应提供的支护阻力P，所述支护阻力P包括支架静态载荷P_m和支架动态载荷F_D，动载系数K_D＝0.1-0.3，则所述支架动态载荷F_D：F_D≥K_DP_m，周期来压时支架应提供的所述支护阻力P：

P＝P_m+F_D≥(1+K_D)P_m。

综上，本发明实施例提供的浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法，通过根据不同煤岩组合所导致的不同顶板结构形态对支架受力的影响，以及上煤层已采后下煤层开采顶板载荷增大及台阶下沉量较大等因素，确定了浅埋近距离煤层群开采的周期来压结构，分别建立了“上台阶岩梁-下台阶岩梁”结构、“上砌体梁-下台阶岩梁”结构及“上砌体梁-下砌体梁”结构模型，进而计算了动静载荷作用下的煤层群开采周期来压支架的支护阻力，由此计算得出的浅埋近距离煤层群开采周期来压时的支架的应提供的支护阻力，准确度高，有利于指导实际应用。

附图说明

图1为本发明实施例提供的浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的浅埋近距离煤层群开采顶板周期破断结构形态判定示意图；

图3为本发明实施例提供的下煤层顶板周期来压时的支架受力示意图；

图4为本发明实施例提供的“上台阶岩梁-下台阶岩梁”结构模型示意图；

图5为本发明实施例提供的“上砌体梁-下台阶岩梁”结构模型示意图；

图6为本发明实施例提供的“上砌体梁-下砌体梁”结构模型示意图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

应理解，煤层群是指由上、下多个煤层和岩层组成的地质结构。对于浅埋近距离煤层群而言，上、下煤层之间的间隔岩层内一般只有一层关键层，随开采顶板周期来压(该关键层周期破断)时，所形成的结构包括：下煤层直接顶(随开采直接垮落的岩层)、下煤层间隔岩层关键层、下煤层间隔岩层关键层与上煤层已扰动关键层之间的岩层、上煤层已扰动关键层、上煤层已扰动关键层直至地表间的载荷层。

还应理解，本发明提供的浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法，适应于煤层群开采条件下的普遍煤层，尤其适用于浅埋近距离煤层间隔岩层具有单一关键层的条件。

下面通过图1至图6详细说明本发明实施例提供的一种浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法。该方法可以包括：

S1，根据下煤层采高m₁和直接顶厚度h及直接顶碎胀系数k_p1，确定间隔岩层关键层台阶下沉量b₁：

b₁＝m₁-h(k_p1-1)

其中，b₁为间隔岩层关键层台阶下沉量(单位为m)，m₁为下煤层采高(单位为m)，h为直接顶厚度(单位为m)，k_p1为直接顶碎胀系数。

S2，根据所述间隔岩层关键层台阶下沉量b₁、上煤层已扰动关键层与下煤层间隔岩层关键层之间的垂直距离h₂、上煤层采高m₂和所述上煤层已扰动关键层与所述下煤层间隔岩层关键层之间的岩层再次扰动后的二次碎胀系数k_p2计算所述上煤层已扰动关键层的台阶下沉量b₂：

b₂＝b₁-(h₂-m₂)(k_p2-1)

其中，b₂为上煤层已扰动关键层的台阶下沉量(单位为m)，h₂为上煤层已扰动关键层与下煤层间隔岩层关键层之间的垂直距离(单位为m)，m₂为上煤层采高(单位为m)，k_p2为上煤层已扰动关键层与下煤层间隔岩层关键层之间的岩层再次扰动后的二次碎胀系数算。

具体的，浅埋近距离煤层群开采顶板周期破断结构形态由间隔岩层关键层结构形态和已扰动关键层“复活”结构形态组成。下煤层开采间隔岩层关键层周期破断形成结构的同时，上煤层已稳定的关键层结构受到重复扰动，再次“复活”形成已扰动关键层结构；已扰动关键层的结构形态受间隔岩层的结构形态、上煤层采高、间隔岩层厚度及其碎胀率影响。

如图所示，当位于下煤层间隔岩层关键层中的C关键块受采动影响后逐步达到稳定状态，形成典型的“砌体梁”结构或“台阶岩梁”结构。

位于上煤层已扰动关键层的E关键块出现扰动，形成“已扰动关键层”结构，其结构类型的判别标准是下煤层间隔岩层关键层与上煤层已扰动关键层之间破碎岩层的绝对碎胀量能否充填满间隔岩层关键层的台阶下沉量。

S3，根据该S1及S2得到的该上煤层已扰动关键层的该台阶下沉量b₂和该下煤层间隔岩层关键层的该台阶下沉量b₁确定浅埋近距离煤层群开采顶板周期破断结构形态。

具体的，若b₁>0，b₂>0，则上煤层已扰动关键层存在台阶下沉，形成“台阶岩梁”结构；此时，间隔岩层的碎胀量小于下煤层间隔岩层关键层的台阶下沉量，顶板周期破断结构为“上台阶岩梁-下台阶岩梁”结构。

若b₁>0，b₂≤0，则已扰动关键层不存在台阶下沉，形成“砌体梁”结构；此时，间隔岩层的碎胀量大于下煤层关键层的台阶下沉量，顶板周期破断结构形态为“上砌体梁-下台阶岩梁”结构。

若b₁≤0，b₂≤0，则间隔岩层关键层形成“砌体梁”结构，已扰动关键层也形成“砌体梁”结构，顶板结构为“上砌体梁-下砌体梁”结构。应理解，这种情况一般在煤层厚度较小时出现。

S4、建立支架受力的力学模型，确定支架静态载荷P_m，包括分别确定“上台阶岩梁-下台阶岩梁”结构的支架静态载荷P_m1、“上砌体梁-下台阶岩梁”结构的支架静态载荷P_m2及“砌体梁-砌体梁结构”的支架静态载荷P_m3。

架静态载荷P_m的确定按照从下向上的顺序分别为：

S401、下煤层直接顶重量W为：

W＝L_kbhγ

其中，L_k为控顶距，b为支架宽度，h为下煤层直接顶厚度，γ为直接顶容重。

S402、下煤层间隔岩层关键层垮落顶板载荷P_B为：

P_B＝P_GB+P_ZB

其中，P_GB为B关键块重量，P_ZB为间隔岩层关键层上覆岩体有效载荷；

S403、上煤层已扰动关键层垮落顶板载荷P_E为：

P_E＝P_GE+P_ZE

其中，P_E为E关键块重量，P_ZE为上煤层关键层上覆岩体有效载荷；

S404、确定不同顶板结构的支架静态载荷P_m：

“上台阶岩梁—下台阶岩梁”结构的支架静态载荷P_m1为：

“上砌体梁—下台阶岩梁”结构的支架静态载荷P_m2为：

“上砌体梁—下砌体梁”结构的支护静态载荷P_m3为：

其中，L_k为控顶距(单位为m)，b为支架宽度(单位为m)，h为下煤层直接顶厚度(单位为m)，γ为直接顶容重(单位为kN/m³)，h₁为下煤层间隔岩层关键层厚度(单位为m)，h₂为上煤层已扰动关键层与下煤层间隔岩层关键层之间的岩层厚度(单位为m)，h₃为上煤层已扰动关键层厚度(单位为m)，h₄为上煤层已扰动关键层的载荷层厚度(单位为m)，L₁为B关键块长度(单位为m)，L₂为E关键块长度(单位为m)，θ₁为B关键块回转角(单位为度)，θ_1max为B关键块最大回转角(单位为m)，θ₂为E关键块回转角(单位为m)，θ_2max为E关键块最大回转角(单位为m)，γ₁下煤层间隔岩层关键层容重(单位为kN/m³)，γ₂为上煤层已扰动关键层与下煤层间隔岩层关键层之间的岩层容重(单位为kN/m³)，γ₃为上煤层已扰动关键层容重(单位为kN/m³)，γ₄为上煤层已扰动关键层的载荷层容重(单位为kN/m³)，i₁＝h₁/L₁为B关键块块度，i₂＝h₃/L₂为E关键块块度，m₂为上煤层采高(单位为m)，K_G为载荷层的载荷传递系数。

应理解，该下煤层间隔岩层关键层跨落顶板包括该下煤层间隔岩层关键层及下煤层间隔岩层关键层与上煤层已扰动关键层之间的岩层，该上煤层已扰动关键层垮落顶板包括该上煤层已扰动关键层及该上煤层已扰动关键层至地表间的载荷层；图中所示的E关键块及B关键块为最危险状态。

S5，确定支架应提供的支护阻力P，该支护阻力P包括支架静态载荷P_m和支架动态载荷F_D，该动载系数K_D＝0.1-0.3。应理解，该支架静态载荷P_m可以为“上台阶岩梁-下台阶岩梁”结构的支架静态载荷P_m1、“上砌体梁-下台阶岩梁”结构的支架静态载荷P_m1或“上砌体梁-下砌体梁”结构的支架静态载荷P_m3。因此，该支架动态载荷F_D为：

F_D≥K_DP_m

根据现场实测，砌体梁一般可取K_D＝0.1，台阶岩梁一般可取K_D＝0.3。

周期来压时支架应提供的支护阻力P：

P＝P_m+F_D≥(1+K_D)P_m

为了便于理解本发明实施例提供的浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法，下面通过陕北某矿为例详细阐述该方法：

陕北某矿开采1^-2与2^-2煤，两煤层间距36m，属于典型浅埋近距离煤层群。1^-2煤层(上煤层)，埋深107m，采高m₂＝2m，直接顶厚度为10m，关键层厚度h₃＝12.73m，E关键块长度L₂＝10.7m，块度i₂＝h₃/L₂＝1.19，回转角θ₂＝5°，顶板二次碎胀系数k_p2＝1.3，已扰动关键层上的载荷层厚度h₄＝84.3m，实验测定载荷层载荷传递系数K_G＝0.3。

2^-2煤层(下煤层)采高m₁＝5.2m，与1^-2煤层间距36m，直接顶厚度h＝12m，直接顶碎胀系数k_p1＝1.25，具有单一关键层，关键层厚度h₁＝12.48m，B关键块长度L₁＝10.9m，块度i₁＝h₁/L₁＝1.145，回转角θ₁＝8°，θ_1max＝12°，h₂＝23.52m。

岩层容重γ＝γ₁＝γ₂＝γ₃＝24kN/m3，载荷层平均容重γ₄＝22kN/m3。工作面支架宽度b＝1.75m，控顶距L_k＝5.4m。

①计算顶板结构的台阶下沉量，确定结构形态

下煤层周期来压期间，可计算出间隔岩层关键层台阶下沉量为：

b₁＝m₁-h(k_p1-1)＝5.2-3＝2.2m＞0

所以，下煤层间隔岩层关键层为“台阶岩梁”结构。

根据上煤层开采条件，可以计算出：

b₂＝b₁-(h₂-m₂)(k_p2-1)＝2.2-6.5＝-4.3m＜0

即，两个煤层间的岩层碎胀量可以充满上煤层开采空间，上煤层已扰动关键层结构不会出现台阶下沉，为“砌体梁”结构。

综上计算分析有：

b₁>0，b₂＜0

所以，该矿1^-2与2^-2煤层群开采，属于“下台阶岩梁—上砌体梁”结构。

②计算支架静态载荷P_m

根据“下台阶岩梁—上砌体梁”结构，支架静态载荷P_m2为：

代入相关数据，可求得

P_m2＝14725kN

③确定支架应提供的支护阻力P

支架动态载荷为F_D≥k_DP_m2，上砌体梁结构可取K_D＝0.1，周期来压时支架应提供的支护阻力P：

P≥(1+k_D)P_m2＝1.1×14725＝16197kN

顶板周期来压时所需的支架支护阻力应大于16197kN。现场选用的支架额定支护阻力为12000kN的支架，支护阻力严重不足，周期来压时发生大范围支架安全阀开启、活柱下缩量大和支架压损等现象。

综上所述，本发明实施例提供的一种浅埋近距离煤层群顶板周期来压支护阻力确定方法，根据不同煤岩组合所导致的不同顶板结构形态对支架受力的影响，以及上煤层已采后对下煤层开采的支架载荷的影响，确定了浅埋近距离煤层群开采周期来压结构，分别建立了“上台阶岩梁-下台阶岩梁”、“上砌体梁-下台阶岩梁”及“上砌体梁-下砌体梁”力学模型，进而给出了动静载荷作用下的煤层群开采周期来压时的支架支护阻力计算方法，由此计算得出的浅埋近距离煤层群开采周期来压支架的支护阻力，准确度高，利于指导实际应用。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。