岱莊煤礦旋轉(zhuǎn)調(diào)斜開采工作面頂板運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)分析

張洪鵬

（山東能源淄博礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司岱莊煤礦，山東 濟(jì)寧 272175）

在煤礦開采過程中，隨著工作面不斷推進(jìn)，采場(chǎng)礦山壓力的大小和分布處于不斷變化的過程中，采場(chǎng)支架上受力的性質(zhì)、大小和發(fā)展變化的規(guī)律與上覆巖層運(yùn)動(dòng)不可分割［1－2］。特殊時(shí)期的頂板管理和工作面支護(hù)尤為重要。目前針對(duì)特殊時(shí)期的開采工藝［3－5］研究較多，但對(duì)工作面的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究較少。本文對(duì)“S”形二次調(diào)向旋轉(zhuǎn)［3］調(diào)斜特殊時(shí)期的工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)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(jù)。

1 地質(zhì)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(jì)寧大斷層采用“S”形二次調(diào)向旋轉(zhuǎn)調(diào)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(qiáng)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(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。

2 頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)方案

1341工作面開采主要分正常開采、第一次旋轉(zhuǎn)、第二次旋轉(zhuǎn)、無煤柱對(duì)接四個(gè)時(shí)期，如圖1所示。按照設(shè)計(jì)觀測(cè)方案［2］，從工作面切眼開始，支架安裝綜采支架壓力計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)綜采支架初撐力、工作阻力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。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(cè)要求，每段觀測(cè)工作面推進(jìn)100m距離期間內(nèi)，進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)并分析處理數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄每天工作面的推進(jìn)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(xiàn)。

圖1 旋轉(zhuǎn)調(diào)斜開采示意圖

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

從觀測(cè)支架推進(jìn)100多m的循環(huán)工作阻力得出頂板周期來壓步距來看，正?；夭蓵r(shí)期，實(shí)測(cè)5個(gè)支架循環(huán)工作阻力隨推進(jìn)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(diào)向旋轉(zhuǎn)期間來壓步距會(huì)發(fā)生變化，工作面各部分支架循環(huán)阻力隨推進(jìn)步距的典型變化曲線如圖4所示。在工作面無煤柱對(duì)接期間，對(duì)外段5組觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。工作面各部分支架循環(huán)阻力隨推進(jìn)步距的典型變化曲線如圖5所示。

圖3 正常回采時(shí)支架循環(huán)工作阻力變化曲線

圖4 旋轉(zhuǎn)調(diào)斜期間支架循環(huán)工作阻力變化曲線

結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的宏觀礦壓顯現(xiàn)，分析正?；夭蓵r(shí)支架循環(huán)工作阻力數(shù)據(jù)，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(zhuǎn)調(diào)斜期間支架循環(huán)工作阻力數(shù)據(jù)，得到旋轉(zhuǎn)調(diào)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(zhuǎn)時(shí)的步距相對(duì)第二次要大一些。分析無煤柱對(duì)接期間支架循環(huán)工作阻力數(shù)據(jù)，得到1341工作面無煤柱對(duì)接時(shí)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(yùn)動(dòng)引起的工作面不同位置頂板來壓對(duì)支架阻力的影響不同，周期來壓的頂板壓力顯現(xiàn)情況如表1所示。

圖5 無煤柱對(duì)接期間支架循環(huán)工作阻力變化曲線

表1 支架實(shí)測(cè)頂板周期來壓時(shí)支架工作阻力

通過對(duì)比支架循環(huán)工作阻力變化情況以及不同時(shí)期周期來壓步距情況，可知在旋轉(zhuǎn)開采及無煤柱對(duì)接期間，周期來壓步距比正?；夭蓵r(shí)候的周期來壓步距小而且支架承載的壓力也比平時(shí)大。

3 頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

由于旋轉(zhuǎn)調(diào)斜時(shí)期頂板各部分相對(duì)位置的變化，其運(yùn)動(dòng)的范圍和對(duì)采場(chǎng)的影響也發(fā)生相應(yīng)變化［6］。從工作面推進(jìn)方向和側(cè)向兩個(gè)方面研究采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，通過理論分析和經(jīng)驗(yàn)公式確定工作面頂板來壓步距和側(cè)向斷裂跨度。

3.1 推進(jìn)方向來壓情況

通過工作面支架周期來壓步距及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)記錄得知，工作面直接頂?shù)某醮慰迓溆缮隙乱来芜M(jìn)行。根據(jù)工作面生產(chǎn)記錄確定直接頂初次垮落步距在12m左右。利用經(jīng)驗(yàn)公式［7］老頂初次來壓步距

式中，M為分開運(yùn)動(dòng)巖層厚度。

由工作面生產(chǎn)記錄，當(dāng)工作面推進(jìn)大約31m左右時(shí)，出現(xiàn)明顯的礦壓顯現(xiàn)，這說明此時(shí)老頂開始斷裂來壓，老頂持續(xù)來壓時(shí)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(huán)阻力，得到在工作面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)開采和無煤柱對(duì)接的時(shí)候周期來壓步距（分別為6～8m和5.6m）比正?；夭蓵r(shí)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(shí)大。

3.2 側(cè)向斷裂跨度

回采過程中形成的頂板側(cè)向懸跨度受推進(jìn)方向的老頂來壓步距及工作面長度的制約。根據(jù)文獻(xiàn)［8］里的計(jì)算公式，兩側(cè)固支時(shí)周期來壓側(cè)向跨度的計(jì)算公式。

式中：d為周期來壓時(shí)側(cè)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(shí)體煤情況對(duì)頂板不同運(yùn)動(dòng)階段時(shí)的側(cè)向懸跨度進(jìn)行分析得，工作面?zhèn)认驍嗔芽缍葹?0.52m。和老頂周期來壓步距接近，大于工作面旋轉(zhuǎn)調(diào)斜和無煤柱對(duì)接期間的來壓步距，根據(jù)工作面記錄數(shù)據(jù)可知，由于頂板周期來壓顯現(xiàn)，在側(cè)向方向上頂板斷裂不明顯。

4 結(jié)論

1）正常時(shí)期頂板周期來壓步距11.5m，第一次旋轉(zhuǎn)期間頂板來壓步距8m，第二次6m，無煤柱對(duì)接時(shí)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)開采和無煤柱對(duì)接時(shí)，周期來壓步距變小，支架承載壓力變大。

3）由于頂板的側(cè)向周期斷裂跨度10.52m大于旋轉(zhuǎn)調(diào)斜和無煤柱對(duì)接期間的來壓步距，受推進(jìn)方向上頂板周期來壓影響，在工作面?zhèn)认蚍较蛏享敯鍞嗔巡幻黠@。

4）在旋轉(zhuǎn)調(diào)斜期間工作面不同部位頂板來壓時(shí)間有所不同，工作面支架工作阻力、動(dòng)載系數(shù)較大，頂板從上到下依次跨落，所以在旋轉(zhuǎn)調(diào)斜時(shí)期應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)工作面上部端頭的支護(hù)。

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

［2］譚云亮.礦山壓力與巖層控制［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

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［5］王延飛，楊智.大傾角綜放工作面調(diào)斜旋轉(zhuǎn)開采技術(shù)的應(yīng)用［J］.煤炭科技，2008.12，34（5）：46-47.

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

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