岱莊煤礦旋轉調斜開采工作面頂板運動監測分析

張洪鵬

（山東能源淄博礦業集團有限責任公司岱莊煤礦，山東 濟寧 272175）

在煤礦開采過程中，隨著工作面不斷推進，采場礦山壓力的大小和分布處于不斷變化的過程中，采場支架上受力的性質、大小和發展變化的規律與上覆巖層運動不可分割［1－2］。特殊時期的頂板管理和工作面支護尤為重要。目前針對特殊時期的開采工藝［3－5］研究較多，但對工作面的頂板運動規律研究較少。本文對“S”形二次調向旋轉［3］調斜特殊時期的工作面頂板運動規律進行了相關研究，研究成果為確定合理的頂板控制方案及支架選型提供了依據。

1 地質開采條件

岱莊煤礦北翼1341綜采工作面，位于－315m水平，為了避開附近的濟寧大斷層采用“S”形二次調向旋轉調斜開采，如圖1所示。開采煤層為3上煤層，煤層厚度在1.3～2.8m之間，走向長度里段238～312m，外段411～484m，傾斜長度里段43m，外段43m，平面積里段11682m2，外段18959m2。采用后退式傾斜短壁采煤法綜采一次采全高，全部垮落法管理頂板。工作面煤層老頂以整體性較強的中粒砂巖為主，直接頂以泥巖為主，直接底以粉砂巖為主，老底以中粒砂巖為主，工作面地質構造較為復雜。

2 頂板運動規律監測

2.1 監測方案

1341工作面開采主要分正常開采、第一次旋轉、第二次旋轉、無煤柱對接四個時期，如圖1所示。按照設計觀測方案［2］，從工作面切眼開始，支架安裝綜采支架壓力計算機監測系統，對綜采支架初撐力、工作阻力進行連續監測。自軌道順槽向皮帶順槽方向分別均勻布置在28＃、22＃、16＃、10＃、4＃支架上如圖2所示。按照礦壓觀測要求，每段觀測工作面推進100m距離期間內，進行連續觀測并分析處理數據，同時記錄每天工作面的推進度以及主要的煤壁片幫、頂板冒落、支架傾斜、頂梁仰俯等宏觀礦壓顯現。

圖1 旋轉調斜開采示意圖

圖2 監測點布置圖

2.2 監測結果

從觀測支架推進100多m的循環工作阻力得出頂板周期來壓步距來看，正常回采時期，實測5個支架循環工作阻力隨推進步距的典型變化曲線如圖3所示。在工作面采用“S”形二次調向旋轉期間來壓步距會發生變化，工作面各部分支架循環阻力隨推進步距的典型變化曲線如圖4所示。在工作面無煤柱對接期間，對外段5組觀測數據進行分析。工作面各部分支架循環阻力隨推進步距的典型變化曲線如圖5所示。

圖3 正常回采時支架循環工作阻力變化曲線

圖4 旋轉調斜期間支架循環工作阻力變化曲線

結合生產現場實測的宏觀礦壓顯現，分析正常回采時支架循環工作阻力數據，得出1341工作面支架周期來壓平均步距：工作面上部平均為13.6m，中部平均為10.4m，下部平均為10.5m。分析旋轉調斜期間支架循環工作阻力數據，得到旋轉調斜期間里段、外段工作面各支架周期來壓步距工作面上部平均為5.5m，中部平均為6.5m，下部平均為9m。第一次旋轉時的步距相對第二次要大一些。分析無煤柱對接期間支架循環工作阻力數據，得到1341工作面無煤柱對接時外段各支架周期來壓步距：工作面上部平均為6m，中部平均為8m，下部平均為4m。頂板運動引起的工作面不同位置頂板來壓對支架阻力的影響不同，周期來壓的頂板壓力顯現情況如表1所示。

圖5 無煤柱對接期間支架循環工作阻力變化曲線

表1 支架實測頂板周期來壓時支架工作阻力

通過對比支架循環工作阻力變化情況以及不同時期周期來壓步距情況，可知在旋轉開采及無煤柱對接期間，周期來壓步距比正常回采時候的周期來壓步距小而且支架承載的壓力也比平時大。

3 頂板運動規律分析

由于旋轉調斜時期頂板各部分相對位置的變化，其運動的范圍和對采場的影響也發生相應變化［6］。從工作面推進方向和側向兩個方面研究采場上覆巖層的運動規律，通過理論分析和經驗公式確定工作面頂板來壓步距和側向斷裂跨度。

3.1 推進方向來壓情況

通過工作面支架周期來壓步距及現場生產記錄得知，工作面直接頂的初次垮落由上而下依次進行。根據工作面生產記錄確定直接頂初次垮落步距在12m左右。利用經驗公式［7］老頂初次來壓步距

式中，M為分開運動巖層厚度。

由工作面生產記錄，當工作面推進大約31m左右時，出現明顯的礦壓顯現，這說明此時老頂開始斷裂來壓，老頂持續來壓時間為1～2天，工作面自上而下分段來壓，老頂周期來壓平均為11.5m。

通過分析里段和外段工作面支架循環阻力，得到在工作面進行旋轉開采和無煤柱對接的時候周期來壓步距（分別為6～8m和5.6m）比正常回采時候的周期來壓步距（平均為11.5m）小而且支架承載的壓力也比平時大。

3.2 側向斷裂跨度

回采過程中形成的頂板側向懸跨度受推進方向的老頂來壓步距及工作面長度的制約。根據文獻［8］里的計算公式，兩側固支時周期來壓側向跨度的計算公式。

式中：d為周期來壓時側向跨度，m；a為周期來壓步距，m；b為工作面長度，m。

按兩邊為實體煤情況對頂板不同運動階段時的側向懸跨度進行分析得，工作面側向斷裂跨度為10.52m。和老頂周期來壓步距接近，大于工作面旋轉調斜和無煤柱對接期間的來壓步距，根據工作面記錄數據可知，由于頂板周期來壓顯現，在側向方向上頂板斷裂不明顯。

4 結論

1）正常時期頂板周期來壓步距11.5m，第一次旋轉期間頂板來壓步距8m，第二次6m，無煤柱對接時直接頂周期來壓步距5.6m。

2）與正常回采情況下相比，工作面進行旋轉開采和無煤柱對接時，周期來壓步距變小，支架承載壓力變大。

3）由于頂板的側向周期斷裂跨度10.52m大于旋轉調斜和無煤柱對接期間的來壓步距，受推進方向上頂板周期來壓影響，在工作面側向方向上頂板斷裂不明顯。

4）在旋轉調斜期間工作面不同部位頂板來壓時間有所不同，工作面支架工作阻力、動載系數較大，頂板從上到下依次跨落，所以在旋轉調斜時期應當加強工作面上部端頭的支護。

［1］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003.

［2］譚云亮.礦山壓力與巖層控制［M］.北京：煤炭工業出版社，2008.

［3］王恒，秦加福，李民，等.綜采工作面“S”形二次旋轉調斜工藝研究［J］.山東煤炭科技，2011（5）：130-131.

［4］李法柱，曹忠，張新國，等.綜采工作面旋轉調斜對接工藝研究［J］.山東煤炭科技，2011（5）：130-131.

［5］王延飛，楊智.大傾角綜放工作面調斜旋轉開采技術的應用［J］.煤炭科技，2008.12，34（5）：46-47.

［6］涂興子，范平.綜采調斜技術探討［J］.礦山壓力與頂板管理，2003（S3）：35-36.

［7］宋振騏.實用礦山壓力控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1992.

［8］蔣金泉.老頂巖層板結構斷裂規律［J］.山東礦業學院學報，1988，37（1）：51-58.