大傾角三軟厚煤層旋轉綜采礦壓特征分析

陸 偉 楊 科 潘桂如

(1.安徽理工大學煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽省淮南市，232001；2.安徽理工大學煤與瓦斯共采安徽省重點實驗室，安徽省淮南市，232001；3.淮南礦業(yè) (集團)有限責任公司潘北煤礦，安徽省淮南市，232087)

迄今，我國許多礦區(qū)都會遇到三軟煤層開采難題，由于三軟煤層開采過程中出現(xiàn)冒頂、煤壁片幫、礦壓顯現(xiàn)劇烈等問題，許多學者對三軟煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究分析，掌握了適合三軟煤層特點的開采理論與技術，解決了生產中存在的問題，為三軟煤層綜采放頂煤工作面的設計、開采提供理論依據(jù)，從而實現(xiàn)安全高效開采，提高資源采出率和經(jīng)濟效益。然而，由于我國諸多煤礦地質條件復雜，尤其是皖北地區(qū)還存在大傾角三軟煤層，許多煤礦工作面進行回采過程中受到斷層等其他復雜地質條件影響，嚴重影響了工作面的正常回采，為了避開斷層等復雜地質條件影響、減少工作面搬家次數(shù)，不得不采取特殊工藝進行回采，如旋轉回采等。有些學者對三軟工作面旋采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行過研究，但是對于相同頂板條件下，大傾角三軟厚煤層工作面走向段綜采與旋轉段綜采礦壓顯現(xiàn)特征的對比研究較少。由于同一工作面不同回采階段的采高相同，這為礦壓顯現(xiàn)特征進行對比分析研究提供了便利。

1 工作面概況

淮南礦業(yè)集團潘北礦12124工作面屬于大傾角三軟厚煤層。12124工作面在掘進過程中，受到斷層影響，應力顯現(xiàn)明顯，掘進期間瓦斯涌出量明顯增大，煤壁瓦斯涌出異常，嚴重影響工作面運輸巷的布置。最后決定采用運輸巷改造方案，使運輸巷偏轉以避開3個斷層的影響區(qū)域。工作面巷道布置圖如圖1所示。

圖1 工作面旋轉回采示意圖

潘北礦12124綜采工作面位于西翼采區(qū)開采4-1煤層，該工作面東起-490m西翼采區(qū)石門，西至WF5斷層附近，南至-400m煤層等高線，北至-500m煤層等高線附近，局部至-519m煤層底板等高線。工作面原定的設計走向長度884m，傾向長144m，工作面平均傾角30°，采高3.8m，屬于大傾角綜采工作面。按照設計要求，12124綜采面首先采用走向長壁采煤法進行回采，之后進行旋轉綜采，旋轉角度為18°，經(jīng)過旋采段之后變?yōu)楦﹤涡遍_采。通過現(xiàn)場多孔取芯實驗并結合12124工作面的地質剖面可知，整個工作面的直接頂為砂泥巖互層復合型頂板，厚度6.8～7.5m，平均為7.0m，泥質膠結嚴重，層理發(fā)育明顯，裂隙發(fā)育，普氏硬度系數(shù)f＝0.9～1.5；基本頂為細砂巖，厚度為4.5～6.7m，f＝4.5～5.4；基本頂上方為砂質泥巖，厚度為5.9～7.3m，f＝1.2～1.8；直接底為砂質泥巖，厚度為1.0～3.1m，平均2.4m，f＝0.9～1.5；煤層極軟，f＝0.3～0.5，屬于大傾角三軟厚煤層。

12124大傾角綜采工作面采用走向長壁后退式回采，并采用全部垮落法管理頂板，工作面布置1臺 MG500／1130-WD型采煤機，采煤機的截深為800mm，1部SGZ800／1050刮板輸送機；運輸巷布置PC M200破碎機1部，SZZ-800／250轉載輸送機1部，配有DSJ120／130／2×110帶式輸送機1部；整個工作面共布置了90架ZZ7200-22／45中間支架，6架ZZG7200-22／45排頭支架，其中在上下端頭部分區(qū)域采用單體加鉸接梁進行支護。

2 旋轉綜采工藝

2.1 旋采中心的確定

為了降低頂板及煤壁維護的困難程度，12124大傾角綜采工作面采用虛心旋采方式進行旋采，同時為了減少支架擠架、死架的情況發(fā)生，并減少旋采的循環(huán)次數(shù)，使旋采中心點位于頂板，以便大傾角工作面刮板輸送機的上竄下滑的管理，該工作面旋采采用1∶3進刀比例進行回采，旋采的循環(huán)數(shù)為29次，每循環(huán)的角度為0.6°，在刮板輸送機允許的彎曲角度內，旋采的半徑為216m，工作面回采推進至450m處為12124回風巷旋采設計拐角起點，運輸巷旋采拐角起點則為432m處。12124大傾角綜采工作面旋采示意圖見圖1。

12124大傾角綜采工作面按照1∶3的進刀比例進行旋采，該工作面的回風巷旋采拐角處兩側34.2m寬的區(qū)域，作為回風巷旋轉回采區(qū)域，因為工作面運輸巷旋采拐角處與回風巷旋采拐角處寬度相差4.5m，所以機頭旋轉位置需提前17.1m，延后5.7m。由于提前長度應是采煤機截深的整數(shù)倍，故確定在回風巷中，工作面距回風巷旋采拐角處34.2m即開始調斜，工作面過回風巷旋采拐角處34.2m后，工作面才進入正常回采；在運輸巷中，工作面回采距運輸巷旋采拐角處16.8m即開始調斜，過運輸巷旋采拐角處5.6m后，進入正常回采。

2.2 旋采進刀位置的確定

12124大傾角綜采工作面旋采長、短刀比例為1∶3，即機頭進1刀，機尾進3刀。進刀地點根據(jù)截割刀數(shù)將工作面平均分為3段，并以此確定進刀點，即分別在距工作面機尾48m、96m、144m處進刀，向機尾方向割煤，如圖2所示。

圖2 旋采循環(huán)長短刀比例示意圖

3 觀測方案與實施過程

沿工作面傾斜方向，在工作面下部、中部、上部共布置4條測線，在每條測線上均安裝了液壓支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)，分別布設在工作面的20號、40號、60號及80號液壓支架上，工作面液壓支架序號從工作面下部到上部依次按照順序排編。

12124綜采工作面的觀測過程分為2個階段。第一階段是綜采走向段的礦壓觀測，觀測時間為2012年8月6日-14日，共經(jīng)歷3～4次周期來壓，在該觀測期間，相應地在工作面回風巷回采位置從258.8m到288m，工作面運輸巷回采位置從257.9m到281.4m；第二階段為對綜采旋轉段的礦壓觀測，觀測時間為2012年10月8日-26日，整個旋采階段共經(jīng)歷了6～7次周期來壓，在該觀測期間，相應在工作面回風巷回采位置從415.8m到482.2m，在工作面運輸巷回采位置從415.2m到437.9m。

4 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及特征

在既定的兩個觀測時間內，通過對工作面4條測線上安設的壓力表上觀測支架工作阻力的分析過程中，以支架的循環(huán)末工作阻力Pm、時間加權平均工作阻力Pt作為礦壓監(jiān)測指標，觀測結果見表1。通過分析12124大傾角綜采面的上、中、下3個測區(qū)的支架工作阻力變化特征，并結合現(xiàn)場頂板冒落、煤壁片幫、安全閥開啟情況綜合判斷頂板周期來壓時間和步距，來分析12124大傾角綜采工作面走向段與旋采段各自礦壓顯現(xiàn)特征。

為了分析比較相同頂?shù)装鍡l件下，不同回采階段支架工作阻力的變化情況，分別對相同支架不同綜采時期的工作阻力進行分析比較。

表1 工作面礦壓觀測結果

4.1 工作面下部基本頂來壓特征分析

對20號支架對比分析發(fā)現(xiàn)，12124大傾角綜采工作面走向段回采時，工作面來壓步距平均為7.9 m，綜采旋轉段時的來壓步距平均為6.9m，同時在整個旋轉綜采過程中，支架未來壓期間循環(huán)末工作阻力是走向段綜采期間的1.29倍，來壓期間的循環(huán)末工作阻力是走向段綜采期間的1.36倍；旋采期間的支架動載系數(shù)為1.45～1.52，而走向段綜采期間的動載系數(shù)為1.38。說明旋轉綜采期間，工作面下部壓力大，來壓顯現(xiàn)明顯，造成來壓步距小于走向段綜采期間的。分析原因得知，在旋轉段，旋采中心點即靠近運輸巷，頂板頻繁反復地支撐，導致工作面下部頂板容易破碎，同時移架速度慢，支架壓力大，壓力得不到有效釋放，導致工作面下部來壓步距小，工作面下部液壓支架上的壓力大。

4.2 工作面中部基本頂來壓特征分析

(1)通過對60號支架兩個階段的支架工作阻力分析發(fā)現(xiàn)，走向段綜采期間60號架附近的來壓步距為8.6m，而旋轉段60號支架附近的來壓步距為10.7m，來壓步距增大；同時旋轉段綜采期間60號支架的未來壓期間循環(huán)末工作阻力是走向段綜采期間的1.53倍，來壓期間的循環(huán)末工作阻力是走向段綜采期間的1.25倍；旋采期間的支架動載系數(shù)為1.30～1.36，而走向段綜采期間的動載系數(shù)為1.41～1.59。說明旋轉綜采期間，工作面60號架的頂板來壓較大，但是由于移架速度較快，壓力顯現(xiàn)不太明顯，來壓步距較大。

(2)通過對40號支架兩個階段的支架工作阻力分析發(fā)現(xiàn)，旋轉綜采期間40號支架的未來壓期間循環(huán)末工作阻力是走向段綜采期間的1.25倍，來壓期間的循環(huán)末工作阻力是走向段綜采期間的1.21倍；旋采期間的支架動載系數(shù)為1.25～1.27，而走向段綜采期間的動載系數(shù)為1.22～1.27。說明旋轉綜采期間工作面40號支架的頂板來壓較走向段回采期間大，礦壓顯現(xiàn)明顯。

4.3 工作面上部基本頂來壓特征分析

通過對80號支架工作阻力的分析得知，80號支架附近，走向段綜采期間的來壓步距為7.4～10.3m，平均為8.8m；而旋轉回采期間的來壓步距為11.8～17.1m，平均為15.5m；而同時旋轉綜采期間80號支架的未來壓期間循環(huán)末工作阻力是走向段綜采期間的0.94倍，來壓期間的循環(huán)末工作阻力是走向段綜采期間的0.94倍；旋采期間的支架動載系數(shù)為1.28～1.33，而走向段綜采期間的動載系數(shù)為1.33～1.34。說明旋轉綜采期間工作面80號架的頂板來壓較走向段小，分析原因得知，旋采期間80號支架靠近旋采區(qū)域末端，移架速度較走向段快，頂板來壓不明顯，來壓步距較大，且支架所受到的壓力小。通過分析走向段綜采和旋轉段綜采觀測期間液壓支架平均工作阻力的分布，可發(fā)現(xiàn)由走向段綜采到旋轉段綜采期間，支架循環(huán)末工作阻力變化不大，但是工作面中下部 (20號、40號、60號)支架在旋轉段綜采期間的平均工作阻力、循環(huán)末工作阻力大于走向段綜采期間的平均工作阻力和循環(huán)末工作阻力，而工作面上部80號支架旋轉段期間的平均工作阻力和循環(huán)末工作阻力則偏小于走向段綜采期間的平均工作阻力和循環(huán)末工作阻力。

通過對來壓期間支架末工作阻力分析可知，在走向段綜采來壓期間，工作面下部20號支架循環(huán)末工作阻力分布范圍在4500～5500kN，而旋轉段綜采來壓期間20號支架的循環(huán)末工作阻力分布范圍在6000～6500kN，大于走向段綜采來壓時期；工作面40號支架在走向段綜采來壓期間的末工作阻力范圍為4000～6000kN，而旋轉綜采期間在5000～7000kN；工作面中上部60號支架走向段綜采來壓期間末工作阻力為4000～5000kN，旋轉綜采期間為5500～7000kN之間；而工作面上部80號支架走向段綜采期間末工作阻力分布范圍為4500～6000kN，而旋轉綜采末工作阻力分布為4500～5500kN。由此對走向段綜采和旋轉綜采來壓期間循環(huán)末工作阻力比較發(fā)現(xiàn)，旋轉綜采期間工作面中下部支架 (20號、40號、60號)的循環(huán)末工作阻力大于走向段綜采期間的，而旋轉綜采期間工作面上部支架的循環(huán)末工作阻力小于工作面走向段綜采期間。

5 結論

(1)與工作面走向段綜采相比，工作面旋轉綜采時的工作面下部來壓步距減小，中上部來壓步距增加，而上部的來壓步距顯著增大。

(2)旋轉綜采時工作面60號支架以下的支架工作阻力較走向段綜采明顯增加，尤其是工作面下部來壓顯現(xiàn)明顯，而工作面上部支架工作阻力較走向段綜采減小。

(3)12124大傾角綜采工作面旋轉段綜采期間，工作面中下部 (20號、40號、60號支架測站位置)靠近旋轉中心，由于推進速度慢，支架的工作阻力大，且頂板破碎，需加強頂板維護，以防止片幫冒頂；工作面上部的推進速度快，工作阻力較小。

(4)大傾角工作面旋轉綜采時，整個工作面頂板破碎的區(qū)域大，因此需加強對整個工作面頂板的監(jiān)控管理，以保證旋采工作安全高效地進行。

[1]徐永圻.煤礦開采學[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1999

[2]夏洪春.三軟煤層超長工作面采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].大連大學學報，2008(6)

[3]喬福祥.大傾角三軟煤層工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及巖層控制的研究[J].礦山壓力與頂板管理，1993(3～4)

[4]李偉，詹振江.淮北礦區(qū)三軟極復雜煤層綜采技術研究與實踐[J].煤炭學報，2010(11)

[5]呂夢蛟.三軟厚煤層綜采工作面采動應力分布規(guī)律研究[J].煤炭科學技術，2011(7)

[6]趙旭清.三軟厚煤層預采頂分層綜放開采頂煤運移實測分析[J].煤炭科學技術，2000(12)

[7]陳亮.三軟大采高工作面礦壓顯現(xiàn)特征及控制技術研究[D].淮南:安徽理工大學，2012

[8]趙保太，林柏泉，林傳兵.三軟不穩(wěn)定煤層覆巖裂隙演化規(guī)律實驗[J].采礦與安全工程學報，2007 (2)

[9]姜志剛.三軟煤層炮采放頂煤工作面支護優(yōu)化研究[D].焦作:河南理工大學，2011

[10]李萬里，高懷正，王培強.大傾角三軟厚煤層巷道支護參數(shù)優(yōu)化的研究[J].煤炭技術，2011(6)

[11]袁永.三軟大采高綜采面煤壁穩(wěn)定性及其控制研究[J].采礦與安全工程學報，2012(1)

[12]徐濤.三軟煤層旋轉開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律[J].煤炭技術，2011 (2)

[13]馮志江，張益東，程敬義等.大傾角雙斜工作面俯采段礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].中國煤炭，2010(9)

[14]曲秋揚，毛德兵.大傾角大采高綜采工作面支架工作阻力分布特征研究[J].中國煤炭，2014(3)