一种充填与综采混采面过渡支架支护参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种过渡支架支护设计方法，特别是一种充填与综采混采面过渡支架支护参数设计方法。

背景技术

充填与综采混合开采是指在同一个工作面同时布置综合机械化充填采煤设备与传统综采设备，各设备之间相互协调、共同完成采煤、充填作业的采煤系统和采煤工艺。充填与综采混合开采工作面主要由充填段、过渡段和综采段组成，充填段工作面布置有充填采煤液压支架及后部多孔底卸式输送机等关键设备，工作面以矸石、粉煤灰等固体材料作为充填体充填后部采空区，达到处理固体废弃物的目的；而综采段工作面采用传统综合机械化采煤方法采煤，工作面布置传统采煤液压支架，采场顶板自然垮落，过渡段则介于两者之间。过渡段是混合工作面特有的区域，该区域覆岩裂隙发育、矿压显现特征与充填段和垮落段具有明显的差异。目前，对充填与综采混合开采工作面过渡支架支护参数设计还没有一种准确的方法，而充实率是影响过渡段垮落高度和过渡段应力影响范围的关键因素，研究充实率对垮落高度和过渡段应力影响范围的影响，可准确预计垮落高度和过渡段应力影响范围，从而计算出过渡支架的支柱强度和数量等支护参数，对充填与综采混合开采过渡支架的安全支护具有重要意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种方法简单，准确的充填与综采混采面过渡支架支护参数设计方法。

技术方案：本发明的充填与综采混合开采工作面过渡支架支护设计方法，首先根据混合开采工作面采煤生产能力与充填段工作面充填能力需求，确定混合工作面总长度L_总与充填段工作面长度L_充；然后，根据工作面区域煤岩物理力学参数测试，通过3DEC三维离散元软件建立充填与综采混合开采数值模型，模拟计算充填段采空区不同充实率变化时，过渡段顶板垮落高度H以及过渡段应力影响范围S；基于数值模拟计算结果，按相关系数R²对曲线进行拟合得到充实率与垮落高度H、过渡段应力影响范围S的函数关系；最后，结合实际工程地质参数，确定过渡段支架参数；其具体的步骤如下：

(1)根据混合开采工作面采煤生产能力与充填段工作面充填能力需求，确定混合工作面总长度L_总与充填段工作面长度L_充；

(2)根据工作面区域煤岩物理力学参数测试，通过3DEC三维离散元软件建立充填与综采混合开采数值模型；

(3)在确定采高M，混合工作面总长度L_总与充填段工作面1长度L_充前提下，模拟充填段不同充实率变化时，过渡段2顶板垮落高度H以及过渡段2应力影响范围S；

(4)按相关系数R²对曲线进行拟合得到充实率与垮落高度H、过渡段应力影响范围S的函数关系；

(5)根据实际工程中设计充实率计算混合工作面过渡段垮落高度H’，由以下公式计算确定过渡段支架支护强度：

F＝rH'

式中：γ一般取2.5MPa/100m；

(6)根据实际工程中设计充实率计算混合工作面过渡段应力影响范围S’，由以下公式计算确定过渡段支架数量：

$N\ge n=\frac{s^{\prime }}{a}$

式中：N一大于等于n的最小正整数；

a一单个过渡支架宽度。

所述充实率的变化范围为60％～80％。

有益效果：本发明的充填与综采混采面过渡支架支护参数设计方法在实际运用时只需确定混合开采工作面充填段充实率，便可根据回归方程计算出过渡段覆岩垮落高度和过渡段应力影响范围，通过计算确定过渡支架支护强度和数量等支护参数，此方法为充填与综采混合开采工作面过渡支架支护参数设计提供了参考，为充填与综采混合开采工作面过渡支架的安全支护提供理论借鉴。此设计方法简单易行，准确性高，可为支架支护设计提供参考，实现混合工作面充填支架与综采支架平稳过渡，进一步丰富充填采煤理论，扩大充填采煤的应用范围，具有广泛的实用性。

附图说明

图1为本发明充填与综采混合工作面系统布置。

图2a为本发明充填与综采混合工作面开采数值计算模型。

图2b为本发明充填与综采混合工作面开采数值计算模型工作面俯视图。

图2c为本发明充填与综采混合工作面开采数值计算模型工作面倾向断面图。

图3为本发明充填与综采混合工作面充实率-过渡段垮落带高度曲线图。

图4为本发明充填与综采混合工作面充实率-过渡段应力影响范围曲线图。

图中，1、充填段；2、过渡段；3、垮落段；4、过渡段支架。

具体实施方式

本发明的充填与综采混合开采工作面过渡支架支护设计方法，首先根据混合开采工作面采煤生产能力与充填段工作面充填能力需求，确定混合工作面总长度L_总与充填段工作面长度L_充；然后，根据工作面区域煤岩物理力学参数测试，通过3DEC三维离散元软件建立充填与综采混合开采数值模型，模拟计算充填段采空区不同充实率变化 时，过渡段顶板垮落高度H以及过渡段应力影响范围S；基于数值模拟计算结果，按相关系数R²对曲线进行拟合得到充实率与垮落高度H、过渡段应力影响范围S的函数关系；最后，结合实际工程地质参数，确定过渡段支架参数；其具体的步骤如下：

(1)根据混合开采工作面采煤生产能力与充填段工作面充填能力需求，确定混合工作面总长度L_总与充填段工作面长度L_充；

(2)根据工作面区域煤岩物理力学参数测试，通过3DEC三维离散元软件建立充填与综采混合开采数值模型；

(3)在确定采高M，混合工作面总长度L_总与充填段工作面1长度L_充前提下，模拟充填段不同充实率变化时，过渡段2顶板垮落高度H以及过渡段2应力影响范围S；

(4)按相关系数R²对曲线进行拟合得到充实率与垮落高度H、过渡段应力影响范围S的函数关系；

(5)根据实际工程中设计充实率计算混合工作面过渡段垮落高度H’，由以下公式计算确定过渡段支架支护强度：

F＝rH'

式中：γ一般取2.5MPa/100m；

(6)根据实际工程中设计充实率计算混合工作面过渡段应力影响范围S’，由以下公式计算确定过渡段支架数量：

$N\ge n=\frac{s^{\prime }}{a}$

式中：N一大于等于n的最小正整数；

a一单个过渡支架宽度。

所述充实率的变化范围为60％～80％。

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

实施例1，以某矿为例，具体实施步骤如下：

(1)根据该矿三水平主采煤层工作面生产能力，设计充填与垮落法混合首采工作面(如图1所示)总长度为220m；结合井下矸石年产量需求，充填段工作面长度为120m；充填段工作面充实率变化范围为60％～80％。

(2)对混合首采工作面区域煤岩样物理力学特性测试，得到煤岩体的物理力学参数，见表1。

表1

(3)根据充填与垮落混合工作面工程地质条件与煤岩体的物理力学参数，采用3DEC数值模拟软件建立数值计算模型，如图2所示；模型长×宽×高为300m×200m×80m；四周约束水平方向位移，底部约束垂直方向位移；本构关系采用摩尔-库伦模型。

(4)分别模拟计算充填段长度L_充不变、充实率变化时，工作面过渡段覆岩垮落高度与过渡段应力影响范围，具体模拟方案见表2；

表2

(5)以模拟结果为基础，按相关系数R²对曲线进行拟合得到充实率与垮落高度H、过渡段2应力影响范围S的函数关系，如图3、4所示。

(6)实际现场充实率为70％左右，由图3计算混合工作面过渡段2垮落高度H’约为30.5m，计算确定过渡段2支架支护强度：

F＝rH'＝0.7625MPa

式中：γ取2.5MPa/100m。

(6)根据实际工程中设计充实率由图4计算混合工作面过渡段2应力影响范围S’约为6.2m，由以下公式计算确定过渡段2支架数量：

$N\ge n=\frac{s^{\prime }}{a}=4.13$

式中：N一大于等于n的最小正整数；

a一单个过渡支架宽度取1.5m。

最终考虑一定的富余系数，设计过渡段支架支护强度为0.84MPa，过渡段支架支护数量为4架。