浅谈平顶山韩梁矿区Z型不规则工作面煤体受力研究

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0引言

韩梁矿区，距平顶山市55公里，地质条件较为复杂，所布置的工作面基本为不规则工作面，如何在复杂条件下或不规则条件下应用炮采悬移支架高效有效地进行回采，对提高矿井机械化水平、减轻工人劳动强度和矿井的安全生产水平，提高矿井经济效益和社会效益有非常重要的现实意义。

韩梁煤田内小煤矿全部处于兼并重组停产阶段，绝大部分已停止通风排水，区域内老空水水位持续上涨，采面呈“Z”型布置，三个块段垂直相交。针对工作面 “Z”型的布置的情况，为提高矿井煤炭采出率，延长悬移支架工作面连续推进长度，减少工作面搬家次数，加快回采速度，降低煤巷掘进率，提高矿井经济效益。依据本矿不规则采面悬移支架连续开采时旋转技术、过巷经验及巷道超前支护技术。经研究在煤柱4#复采面与煤柱复采面里段，煤柱复采面里段和外段之间，采用“Z”型不规则工作面悬移支架连续开采两次旋转90°回采。

【分类号】TD355

1 研究方法

项目通过研究“Z”型不规则工作面悬移支架旋转连续开采技术，首先要研究旋转中心与调斜、悬移支架改造、过老巷及高温点治理技术，解决不规则工作面旋转连续开采时所遇到的悬移支架旋转、过巷、平行和垂直过巷、缩短、对接技术等问题，从而对采面顶板进行有效支护，为正常生产创造有利条件。

对“Z”不规则工作面悬移支架旋转连续回采技术进行了系统的研究，提出并实施了悬移支架双旋转90°扇形回采、平行和垂直过巷、跨巷、底板巷、悬移支架缩短、对接、超前支护等多项关键控制技术。系统地研究分析了不规则采面使用悬移支架连续开采特点和支护技术。

1.1 Z型不规则工作面连续开采形成的原因

韩梁矿区目前资源枯竭，矿井处于残采阶段，为了实现精采细收和保证矿区稳定，经中国矿业大学论证对工业广场煤柱采用条带开采，采留比为40m：40m，把地面建筑物破坏程度降到最低水平，在工作面布置和回采过程中，受到地质条件、小煤窑侵采、巷道布置需要等影响，工业广场煤柱采用不规则条带布置，条带工作面形状不规则，块段巷道多，以煤柱4#复采面和煤柱复采面最为典型，两个工作面呈“Z”型布置，三个块段垂直相交，按照正常回采工作面需两次搬家，为减少搬家丢煤和节省搬家时间。

1.2复采面老空区煤体边缘及过巷受力分析

1.21老空区煤体与围岩作用关系

老空区煤体及其围岩构成了采场围岩岩体结构，根据煤体与围岩的相互作用的方式，可以分为以下 4 类：整体连结，采空区煤体与顶（底）板同性，即煤层不是按全厚开采；非整体和干摩擦连接，煤层按全厚开采，煤层与顶（底）板界面只有结合力；有塑性夹层的连接，煤层与顶（底）板之间夹有粘土、类粘土等软弱夹层；组合连接，上述三者的任意组合。老空区复采煤体有边角煤柱和采空区厚度煤两类，根据采空区厚度煤和边角煤柱的关系可知，采空区厚度煤与边角煤柱多为整体连接关系。

1.22老空区煤体边缘压力分布

（1）破裂区：靠边缘附近的煤体，可视为处于单向受力状态，其抗压强度较小，在高应力作用下，煤体已发生破坏，节理、裂隙比较发育。如果按压力特征分区，则松弛区段处于压力下降区内，该区的垂直应力比原岩应力γH小。松弛区段的宽度视煤层厚度、煤质软硬及围岩性质而不同，一般在 5m 以内。

（2）塑性区：从松弛区段往煤体深处，由于层面之间的摩擦力作用，致使煤体在水平方向的挤压力增加，由单向受力状态逐步过渡到双向以致三向受力状态。其抗压强度也逐渐加大，直至支承压力高峰。在该区段煤体中的应力己超过其弹性极限，煤体处于塑性变形状态。塑性变形区段的宽度取决于开采程度、回采引起的支承压力集中系数、煤层厚度和煤质软硬等因素，并随着工作面推进和采动影响时间的延续而发展，一般为 5～12m。

（3）弹性区：从压力高峰处再深入煤体，支承压力随远离煤壁而逐渐递减，直至恢复到原岩应力。从压力特征来看，弹性变形区段是由最大压力逐渐过渡到压力稳定的区段。尽管最大压力区附近的压力比正常压力大得多，但仍未超过煤体的弹性极限，故仍处于弹性变形状态。整个弹性变形区段的范围可由20～25m变化至35～40m。再进一步深入煤体，受采动影响极小，甚至可以忽略不计，一般视为处于原岩应力状态。

1.23旋转过巷受力分析

A―塑性变形占优势区； B―破碎区； C―弹性核

1.3旋转开采和过巷时采场应力分布

工作面的矿压显现强度是由应力集中程度、上覆岩层的性质、基本顶的破断形式、支护方式、支护强度及现场管理等多种因素决定的。

1.31采煤工作面应力分布与矿压显现

采用长壁工作面采煤时，煤炭采出后，采空区上方岩体的压力要向周围煤体内转移，产生应力集中，同时周围煤体由原岩的三向主应力变为双向甚至单向受力，强度相应降低，使周边煤体产生不同程度的破坏，应力急剧降低，而高的集中应力逐渐向煤体深处的三向受力体转移。

1.32采煤工作面周围支承压力分布

当工作面逢开切眼不断向前推进时，在其周围形成了大小不一的支承压力.如图9所示。工作面推进方向的前方形成前支承压力1，由于它随工作面推进而不断前移，亦称移动支承压力，最大值发生在采面中部前方，峰值点距巷道2―10 m，峰值可达（2―4）γH，分布范围―般在工作面方30―60m内，最大可达100 m左右，近煤壁的压酥带宽度0.5―20 m。

1-前支承压力；2-后支承压力；3-侧向支承压力；4-残余支承压力

采面推巷时，距巷道10-20米时存在弹性变形区域，顶板压力逐步增大，易发生冒顶、片帮，需加强支护。推进至距巷道2-10米的边缘区域，早已压酥，顶板也破碎，应及时支护。

控制工作面矿压显现的关键在于掌握顶板活动规律，针对不同的地质及开采条件选择合理的支护方式、支护密度、支护强度。对于巷道应力影响下的工作面，必须切实加强以初撑力为中心的全面质量管理，坚持“支、护、稳”并重的原则，提高支柱初撑力，杜绝支柱钻底，保证支架有较高的强度。

矿山压力理论的核心是矿山压力分布，矿山压力显现与上覆岩层（直接顶与基本顶）运动关系的理论。通过矿山压力显现推断上覆岩层运动，实现对顶板活动控制已经有了广泛的实践基础，为Z型不规则采面开采提供了研究数据。