大倾角三软厚煤层旋转综采矿压特征分析

2014-11-26潘桂如

中国煤炭 2014年6期

陆伟杨科潘桂如

(1.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽省淮南市，232001；2.安徽理工大学煤与瓦斯共采安徽省重点实验室，安徽省淮南市，232001；3.淮南矿业 (集团)有限责任公司潘北煤矿，安徽省淮南市，232087)

迄今，我国许多矿区都会遇到三软煤层开采难题，由于三软煤层开采过程中出现冒顶、煤壁片帮、矿压显现剧烈等问题，许多学者对三软煤层矿压显现规律进行了研究分析，掌握了适合三软煤层特点的开采理论与技术，解决了生产中存在的问题，为三软煤层综采放顶煤工作面的设计、开采提供理论依据，从而实现安全高效开采，提高资源采出率和经济效益。然而，由于我国诸多煤矿地质条件复杂，尤其是皖北地区还存在大倾角三软煤层，许多煤矿工作面进行回采过程中受到断层等其他复杂地质条件影响，严重影响了工作面的正常回采，为了避开断层等复杂地质条件影响、减少工作面搬家次数，不得不采取特殊工艺进行回采，如旋转回采等。有些学者对三软工作面旋采的矿压显现规律进行过研究，但是对于相同顶板条件下，大倾角三软厚煤层工作面走向段综采与旋转段综采矿压显现特征的对比研究较少。由于同一工作面不同回采阶段的采高相同，这为矿压显现特征进行对比分析研究提供了便利。

1 工作面概况

淮南矿业集团潘北矿12124工作面属于大倾角三软厚煤层。12124工作面在掘进过程中，受到断层影响，应力显现明显，掘进期间瓦斯涌出量明显增大，煤壁瓦斯涌出异常，严重影响工作面运输巷的布置。最后决定采用运输巷改造方案，使运输巷偏转以避开3个断层的影响区域。工作面巷道布置图如图1所示。

图1 工作面旋转回采示意图

潘北矿12124综采工作面位于西翼采区开采4-1煤层，该工作面东起-490m西翼采区石门，西至WF5断层附近，南至-400m煤层等高线，北至-500m煤层等高线附近，局部至-519m煤层底板等高线。工作面原定的设计走向长度884m，倾向长144m，工作面平均倾角30°，采高3.8m，属于大倾角综采工作面。按照设计要求，12124综采面首先采用走向长壁采煤法进行回采，之后进行旋转综采，旋转角度为18°，经过旋采段之后变为俯伪斜开采。通过现场多孔取芯实验并结合12124工作面的地质剖面可知，整个工作面的直接顶为砂泥岩互层复合型顶板，厚度6.8～7.5m，平均为7.0m，泥质胶结严重，层理发育明显，裂隙发育，普氏硬度系数f＝0.9～1.5；基本顶为细砂岩，厚度为4.5～6.7m，f＝4.5～5.4；基本顶上方为砂质泥岩，厚度为5.9～7.3m，f＝1.2～1.8；直接底为砂质泥岩，厚度为1.0～3.1m，平均2.4m，f＝0.9～1.5；煤层极软，f＝0.3～0.5，属于大倾角三软厚煤层。

12124大倾角综采工作面采用走向长壁后退式回采，并采用全部垮落法管理顶板，工作面布置1台 MG500／1130-WD型采煤机，采煤机的截深为800mm，1部SGZ800／1050刮板输送机；运输巷布置PC M200破碎机1部，SZZ-800／250转载输送机1部，配有DSJ120／130／2×110带式输送机1部；整个工作面共布置了90架ZZ7200-22／45中间支架，6架ZZG7200-22／45排头支架，其中在上下端头部分区域采用单体加铰接梁进行支护。

2 旋转综采工艺

2.1 旋采中心的确定

为了降低顶板及煤壁维护的困难程度，12124大倾角综采工作面采用虚心旋采方式进行旋采，同时为了减少支架挤架、死架的情况发生，并减少旋采的循环次数，使旋采中心点位于顶板，以便大倾角工作面刮板输送机的上窜下滑的管理，该工作面旋采采用1∶3进刀比例进行回采，旋采的循环数为29次，每循环的角度为0.6°，在刮板输送机允许的弯曲角度内，旋采的半径为216m，工作面回采推进至450m处为12124回风巷旋采设计拐角起点，运输巷旋采拐角起点则为432m处。12124大倾角综采工作面旋采示意图见图1。

12124大倾角综采工作面按照1∶3的进刀比例进行旋采，该工作面的回风巷旋采拐角处两侧34.2m宽的区域，作为回风巷旋转回采区域，因为工作面运输巷旋采拐角处与回风巷旋采拐角处宽度相差4.5m，所以机头旋转位置需提前17.1m，延后5.7m。由于提前长度应是采煤机截深的整数倍，故确定在回风巷中，工作面距回风巷旋采拐角处34.2m即开始调斜，工作面过回风巷旋采拐角处34.2m后，工作面才进入正常回采；在运输巷中，工作面回采距运输巷旋采拐角处16.8m即开始调斜，过运输巷旋采拐角处5.6m后，进入正常回采。

2.2 旋采进刀位置的确定

12124大倾角综采工作面旋采长、短刀比例为1∶3，即机头进1刀，机尾进3刀。进刀地点根据截割刀数将工作面平均分为3段，并以此确定进刀点，即分别在距工作面机尾48m、96m、144m处进刀，向机尾方向割煤，如图2所示。

图2 旋采循环长短刀比例示意图

3 观测方案与实施过程

沿工作面倾斜方向，在工作面下部、中部、上部共布置4条测线，在每条测线上均安装了液压支架工作阻力监测系统，分别布设在工作面的20号、40号、60号及80号液压支架上，工作面液压支架序号从工作面下部到上部依次按照顺序排编。

12124综采工作面的观测过程分为2个阶段。第一阶段是综采走向段的矿压观测，观测时间为2012年8月6日-14日，共经历3～4次周期来压，在该观测期间，相应地在工作面回风巷回采位置从258.8m到288m，工作面运输巷回采位置从257.9m到281.4m；第二阶段为对综采旋转段的矿压观测，观测时间为2012年10月8日-26日，整个旋采阶段共经历了6～7次周期来压，在该观测期间，相应在工作面回风巷回采位置从415.8m到482.2m，在工作面运输巷回采位置从415.2m到437.9m。

4 工作面矿压显现规律及特征

在既定的两个观测时间内，通过对工作面4条测线上安设的压力表上观测支架工作阻力的分析过程中，以支架的循环末工作阻力Pm、时间加权平均工作阻力Pt作为矿压监测指标，观测结果见表1。通过分析12124大倾角综采面的上、中、下3个测区的支架工作阻力变化特征，并结合现场顶板冒落、煤壁片帮、安全阀开启情况综合判断顶板周期来压时间和步距，来分析12124大倾角综采工作面走向段与旋采段各自矿压显现特征。

为了分析比较相同顶底板条件下，不同回采阶段支架工作阻力的变化情况，分别对相同支架不同综采时期的工作阻力进行分析比较。

表1 工作面矿压观测结果

4.1 工作面下部基本顶来压特征分析

对20号支架对比分析发现，12124大倾角综采工作面走向段回采时，工作面来压步距平均为7.9 m，综采旋转段时的来压步距平均为6.9m，同时在整个旋转综采过程中，支架未来压期间循环末工作阻力是走向段综采期间的1.29倍，来压期间的循环末工作阻力是走向段综采期间的1.36倍；旋采期间的支架动载系数为1.45～1.52，而走向段综采期间的动载系数为1.38。说明旋转综采期间，工作面下部压力大，来压显现明显，造成来压步距小于走向段综采期间的。分析原因得知，在旋转段，旋采中心点即靠近运输巷，顶板频繁反复地支撑，导致工作面下部顶板容易破碎，同时移架速度慢，支架压力大，压力得不到有效释放，导致工作面下部来压步距小，工作面下部液压支架上的压力大。

4.2 工作面中部基本顶来压特征分析

(1)通过对60号支架两个阶段的支架工作阻力分析发现，走向段综采期间60号架附近的来压步距为8.6m，而旋转段60号支架附近的来压步距为10.7m，来压步距增大；同时旋转段综采期间60号支架的未来压期间循环末工作阻力是走向段综采期间的1.53倍，来压期间的循环末工作阻力是走向段综采期间的1.25倍；旋采期间的支架动载系数为1.30～1.36，而走向段综采期间的动载系数为1.41～1.59。说明旋转综采期间，工作面60号架的顶板来压较大，但是由于移架速度较快，压力显现不太明显，来压步距较大。

(2)通过对40号支架两个阶段的支架工作阻力分析发现，旋转综采期间40号支架的未来压期间循环末工作阻力是走向段综采期间的1.25倍，来压期间的循环末工作阻力是走向段综采期间的1.21倍；旋采期间的支架动载系数为1.25～1.27，而走向段综采期间的动载系数为1.22～1.27。说明旋转综采期间工作面40号支架的顶板来压较走向段回采期间大，矿压显现明显。

4.3 工作面上部基本顶来压特征分析

通过对80号支架工作阻力的分析得知，80号支架附近，走向段综采期间的来压步距为7.4～10.3m，平均为8.8m；而旋转回采期间的来压步距为11.8～17.1m，平均为15.5m；而同时旋转综采期间80号支架的未来压期间循环末工作阻力是走向段综采期间的0.94倍，来压期间的循环末工作阻力是走向段综采期间的0.94倍；旋采期间的支架动载系数为1.28～1.33，而走向段综采期间的动载系数为1.33～1.34。说明旋转综采期间工作面80号架的顶板来压较走向段小，分析原因得知，旋采期间80号支架靠近旋采区域末端，移架速度较走向段快，顶板来压不明显，来压步距较大，且支架所受到的压力小。通过分析走向段综采和旋转段综采观测期间液压支架平均工作阻力的分布，可发现由走向段综采到旋转段综采期间，支架循环末工作阻力变化不大，但是工作面中下部 (20号、40号、60号)支架在旋转段综采期间的平均工作阻力、循环末工作阻力大于走向段综采期间的平均工作阻力和循环末工作阻力，而工作面上部80号支架旋转段期间的平均工作阻力和循环末工作阻力则偏小于走向段综采期间的平均工作阻力和循环末工作阻力。

通过对来压期间支架末工作阻力分析可知，在走向段综采来压期间，工作面下部20号支架循环末工作阻力分布范围在4500～5500kN，而旋转段综采来压期间20号支架的循环末工作阻力分布范围在6000～6500kN，大于走向段综采来压时期；工作面40号支架在走向段综采来压期间的末工作阻力范围为4000～6000kN，而旋转综采期间在5000～7000kN；工作面中上部60号支架走向段综采来压期间末工作阻力为4000～5000kN，旋转综采期间为5500～7000kN之间；而工作面上部80号支架走向段综采期间末工作阻力分布范围为4500～6000kN，而旋转综采末工作阻力分布为4500～5500kN。由此对走向段综采和旋转综采来压期间循环末工作阻力比较发现，旋转综采期间工作面中下部支架 (20号、40号、60号)的循环末工作阻力大于走向段综采期间的，而旋转综采期间工作面上部支架的循环末工作阻力小于工作面走向段综采期间。