大傾角三軟厚煤層旋轉(zhuǎn)綜采礦壓特征分析

陸 偉 楊 科 潘桂如

(1.安徽理工大學(xué)煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽省淮南市，232001；2.安徽理工大學(xué)煤與瓦斯共采安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽省淮南市，232001；3.淮南礦業(yè) (集團(tuán))有限責(zé)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(xué)者對三軟煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究分析，掌握了適合三軟煤層特點(diǎn)的開采理論與技術(shù)，解決了生產(chǎn)中存在的問題，為三軟煤層綜采放頂煤工作面的設(shè)計(jì)、開采提供理論依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)安全高效開采，提高資源采出率和經(jīng)濟(jì)效益。然而，由于我國諸多煤礦地質(zhì)條件復(fù)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(jìn)行回采過程中受到斷層等其他復(fù)雜地質(zhì)條件影響，嚴(yán)重影響了工作面的正?；夭桑瑸榱吮荛_斷層等復(fù)雜地質(zhì)條件影響、減少工作面搬家次數(shù)，不得不采取特殊工藝進(jìn)行回采，如旋轉(zhuǎn)回采等。有些學(xué)者對三軟工作面旋采的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)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(zhuǎn)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(jìn)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(tuán)潘北礦12124工作面屬于大傾角三軟厚煤層。12124工作面在掘進(jìn)過程中，受到斷層影響，應(yīng)力顯現(xiàn)明顯，掘進(jìn)期間瓦斯涌出量明顯增大，煤壁瓦斯涌出異常，嚴(yán)重影響工作面運(yùn)輸巷的布置。最后決定采用運(yùn)輸巷改造方案，使運(yùn)輸巷偏轉(zhuǎn)以避開3個(gè)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求，12124綜采面首先采用走向長壁采煤法進(jìn)行回采，之后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)綜采，旋轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)并結(jié)合12124工作面的地質(zhì)剖面可知，整個(gè)工作面的直接頂為砂泥巖互層復(fù)合型頂板，厚度6.8～7.5m，平均為7.0m，泥質(zhì)膠結(jié)嚴(yán)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(xì)砂巖，厚度為4.5～6.7m，f＝4.5～5.4；基本頂上方為砂質(zhì)泥巖，厚度為5.9～7.3m，f＝1.2～1.8；直接底為砂質(zhì)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(jī)，采煤機(jī)的截深為800mm，1部SGZ800／1050刮板輸送機(jī)；運(yùn)輸巷布置PC M200破碎機(jī)1部，SZZ-800／250轉(zhuǎn)載輸送機(jī)1部，配有DSJ120／130／2×110帶式輸送機(jī)1部；整個(gè)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(jìn)行支護(hù)。

2 旋轉(zhuǎn)綜采工藝

2.1 旋采中心的確定

為了降低頂板及煤壁維護(hù)的困難程度，12124大傾角綜采工作面采用虛心旋采方式進(jìn)行旋采，同時(shí)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(diǎn)位于頂板，以便大傾角工作面刮板輸送機(jī)的上竄下滑的管理，該工作面旋采采用1∶3進(jìn)刀比例進(jìn)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(jī)允許的彎曲角度內(nèi)，旋采的半徑為216m，工作面回采推進(jìn)至450m處為12124回風(fēng)巷旋采設(shè)計(jì)拐角起點(diǎn)，運(yùn)輸巷旋采拐角起點(diǎn)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(jìn)刀比例進(jìn)行旋采，該工作面的回風(fēng)巷旋采拐角處兩側(cè)34.2m寬的區(qū)域，作為回風(fēng)巷旋轉(zhuǎn)回采區(qū)域，因?yàn)楣ぷ髅孢\(yùn)輸巷旋采拐角處與回風(fēng)巷旋采拐角處寬度相差4.5m，所以機(jī)頭旋轉(zhuǎn)位置需提前17.1m，延后5.7m。由于提前長度應(yīng)是采煤機(jī)截深的整數(shù)倍，故確定在回風(fēng)巷中，工作面距回風(fēng)巷旋采拐角處34.2m即開始調(diào)斜，工作面過回風(fēng)巷旋采拐角處34.2m后，工作面才進(jìn)入正?；夭?；在運(yùn)輸巷中，工作面回采距運(yùn)輸巷旋采拐角處16.8m即開始調(diào)斜，過運(yùn)輸巷旋采拐角處5.6m后，進(jìn)入正?；夭?。

2.2 旋采進(jìn)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(jī)頭進(jìn)1刀，機(jī)尾進(jìn)3刀。進(jìn)刀地點(diǎn)根據(jù)截割刀數(shù)將工作面平均分為3段，并以此確定進(jìn)刀點(diǎn)，即分別在距工作面機(jī)尾48m、96m、144m處進(jìn)刀，向機(jī)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(shí)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(shè)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(gè)階段。第一階段是綜采走向段的礦壓觀測，觀測時(shí)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(yīng)地在工作面回風(fēng)巷回采位置從258.8m到288m，工作面運(yùn)輸巷回采位置從257.9m到281.4m；第二階段為對綜采旋轉(zhuǎn)段的礦壓觀測，觀測時(shí)間為2012年10月8日-26日，整個(gè)旋采階段共經(jīng)歷了6～7次周期來壓，在該觀測期間，相應(yīng)在工作面回風(fēng)巷回采位置從415.8m到482.2m，在工作面運(yùn)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(gè)觀測時(shí)間內(nèi)，通過對工作面4條測線上安設(shè)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(shí)間加權(quán)平均工作阻力Pt作為礦壓監(jiān)測指標(biāo)，觀測結(jié)果見表1。通過分析12124大傾角綜采面的上、中、下3個(gè)測區(qū)的支架工作阻力變化特征，并結(jié)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(shí)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(shí)期的工作阻力進(jìn)行分析比較。

表1 工作面礦壓觀測結(jié)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(shí)，工作面來壓步距平均為7.9 m，綜采旋轉(zhuǎn)段時(shí)的來壓步距平均為6.9m，同時(shí)在整個(gè)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)段，旋采中心點(diǎn)即靠近運(yùn)輸巷，頂板頻繁反復(fù)地支撐，導(dǎo)致工作面下部頂板容易破碎，同時(shí)移架速度慢，支架壓力大，壓力得不到有效釋放，導(dǎo)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(gè)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(zhuǎn)段60號支架附近的來壓步距為10.7m，來壓步距增大；同時(shí)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gè)階段的支架工作阻力分析發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)回采期間的來壓步距為11.8～17.1m，平均為15.5m；而同時(shí)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)綜采末工作阻力分布為4500～5500kN。由此對走向段綜采和旋轉(zhuǎn)綜采來壓期間循環(huán)末工作阻力比較發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)論

(1)與工作面走向段綜采相比，工作面旋轉(zhuǎn)綜采時(shí)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(zhuǎn)綜采時(shí)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(zhuǎn)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(zhuǎn)中心，由于推進(jìn)速度慢，支架的工作阻力大，且頂板破碎，需加強(qiáng)頂板維護(hù)，以防止片幫冒頂；工作面上部的推進(jìn)速度快，工作阻力較小。

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

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