保德煤礦綜放工作面旋轉(zhuǎn)開采技術(shù)及礦壓規(guī)律

楊曉東，李存洲

（1.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 大柳塔煤礦，陜西 神木 719315；2.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 保德煤礦，山西 忻州 034000）

煤炭資源作為不可再生資源，對(duì)其進(jìn)行合理的開發(fā)與利用具有極其重要的意義[1-2]。由于煤層賦存情況、采掘布置等內(nèi)外部因素，會(huì)出現(xiàn)部分不規(guī)則的工作面，由于不規(guī)則工作面開采時(shí)的端頭設(shè)備搭接、開采工藝等技術(shù)目前尚不成熟，同時(shí)不規(guī)則工作面開采過程中礦壓規(guī)律尚不明確，往往會(huì)采用傳統(tǒng)的工作面布置方式進(jìn)行工作面的回采，導(dǎo)致丟失大量煤柱，造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。為此，國內(nèi)外學(xué)者做出了大量的研究，并取得了一定的成果[3-20]。如楊繼和[7]等從理論出發(fā)分析了旋轉(zhuǎn)開采的理論可能性，并在煤礦開采實(shí)踐中考證，取得了良好的效果。曾得國[8]等對(duì)不同形狀、不同地質(zhì)條件工作面旋轉(zhuǎn)開采過程中的技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行了研究，提出了綜放工作面邊界三角煤旋轉(zhuǎn)開采技術(shù)。董海寧等[15]采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等研究手段對(duì)旋轉(zhuǎn)開采過程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了研究。雖然國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不規(guī)則工作面的旋轉(zhuǎn)開采進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)巷道布置、設(shè)備搭接、調(diào)斜工藝方面存在的重大難題介紹得不夠全面與細(xì)致，同時(shí)調(diào)斜過程中壓力、塑性區(qū)及位移動(dòng)態(tài)變化規(guī)律尚未系統(tǒng)研究。為了解決旋轉(zhuǎn)開采不規(guī)則工作面的技術(shù)難題及系統(tǒng)研究開采過程中礦壓規(guī)律，以保德煤礦81308 不規(guī)則綜放工作面為背景，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)旋轉(zhuǎn)工作面開采時(shí)的端頭設(shè)備搭接、開采工藝及調(diào)斜過程中壓力、塑性區(qū)及位移動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的研究，為類似條件下旋轉(zhuǎn)開采和調(diào)斜面的安全高效生產(chǎn)提供借鑒，對(duì)提高資源回收率及保證礦井的安全高效開采具有重要的意義。

1 工作面概況

保德煤礦81308 綜放工作面走向平均長度為2 545 m，傾斜長240 m，煤層傾角2°～9°，平均4°；煤層厚度6.6～6.8 m，儲(chǔ)量590.5 萬t。采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤法進(jìn)行采煤，工作面采厚為3.8 m，循環(huán)步距0.865 m。煤層頂、底板巖性見表1。

表1 工作面煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor conditions of coal seam in working face

81308 綜放工作面主要設(shè)備型號(hào)及主要技術(shù)參數(shù)為：①7LS6C－LWS716 采煤機(jī)：電動(dòng)機(jī)功率2 125 kW；②ZFY12500/25/39D 液壓支架：支撐高度2.5～3.9 m；③ZFG12500/25/39D 過渡支架：支撐高度2.5～3.9 m；④ZFT19600/25/40D 組合端頭支架：支撐高度2.5～3.9 m；⑤ZFP12000/26/41D 排頭支架：支撐高度2.6～4.1 m；⑥SGZ900/2×1 000 前部刮板輸送機(jī)：電動(dòng)機(jī)功率2×1 000 kW；⑦SGZ1000/2×1 000：電動(dòng)機(jī)功率2×1 000 kW；⑧SZZ1350/700 轉(zhuǎn)載機(jī)：電動(dòng)機(jī)功率700 kW；⑨PCM700 破碎機(jī)：電動(dòng)機(jī)功率700 kW。

2 旋轉(zhuǎn)開采關(guān)鍵工藝

2.1 巷道布置

工作面不等長會(huì)導(dǎo)致工作面設(shè)備搭接情況復(fù)雜，同時(shí)由于工作面長度變化會(huì)導(dǎo)致設(shè)備再安裝完成后再進(jìn)行設(shè)備拆除、移動(dòng)及更換等困難，在此次旋轉(zhuǎn)開采過程中，采用分段掘進(jìn)及邊掘進(jìn)邊調(diào)整的方式對(duì)巷道進(jìn)行調(diào)整，最終保證工作面等長布置。

按照等長布置81308 工作面的原則，回風(fēng)巷道在掘進(jìn)時(shí)分4 段進(jìn)行掘進(jìn)，以下巷為旋轉(zhuǎn)中心，4 段巷道的旋轉(zhuǎn)角分別為3.75°、7.50°、7.50°、7.50°及3.75°，根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度及旋轉(zhuǎn)半徑，4 段折線的長度分別為32、35、35、32 m。巷道施工完成后，81308 一號(hào)回風(fēng)平巷旋轉(zhuǎn)開采段布置如圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)開采段1 號(hào)回風(fēng)平巷布置圖Fig.1 Layout of No. 1 return air lane in the rotating mining section

2.2 設(shè)備布置方案

保德煤礦81308 工作面采用放頂煤開采工藝進(jìn)行回采，采用前、后2 臺(tái)刮板輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸，且二者間的中心距為7.2 m，在下端頭布置端頭液壓支架、排頭架、過渡支架控制頂板。旋轉(zhuǎn)開采時(shí)，開切眼沿井田邊界布置，因此81308 運(yùn)輸巷呈123°角與開切眼斜交，如何在旋轉(zhuǎn)過程中實(shí)現(xiàn)鈍角關(guān)系中的成功與安全搭接，一直是技術(shù)難題。

結(jié)合后期正?；夭傻捻樌^渡，減少運(yùn)輸機(jī)和支架的安拆量，確定切眼內(nèi)安裝支架141 臺(tái)。初期安裝時(shí)，因工作面切眼與運(yùn)輸巷不是垂直布置，工作面前后運(yùn)輸機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接長度不一致。根據(jù)三機(jī)配套思考，如果要保證在下端頭鈍角關(guān)系中前后刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)的正常搭接，在轉(zhuǎn)載機(jī)與端頭支架保持與運(yùn)輸巷平行布置的情況下，則前部刮板機(jī)機(jī)頭將會(huì)與端頭支架的立柱發(fā)生干涉，也就是說，無法實(shí)現(xiàn)前部刮板機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)的正常搭接，這就需要通過偏移運(yùn)輸機(jī)和端頭架，以減少后刮板輸送機(jī)與支架干涉的方案來實(shí)現(xiàn)前刮板輸送機(jī)與端頭架的正常搭接。

經(jīng)過理論研究及現(xiàn)場(chǎng)多次實(shí)踐表明：將端頭支架與轉(zhuǎn)載機(jī)向外偏移5°，同時(shí)為了保證空間布置需求對(duì)81308 運(yùn)輸巷進(jìn)行擴(kuò)幫處理，擴(kuò)幫深度為1 m，擴(kuò)幫長度為15 m，方向?yàn)槎祟^支架處向前，擴(kuò)幫后巷寬為6 m。最終保證前刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)及組合支架的順利搭接，安裝時(shí)由于排頭架與端頭架干涉，1#排頭架不進(jìn)行安裝、且端頭架后部1 節(jié)2 片不進(jìn)行安裝，后部刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾各少安裝1節(jié)，中部槽安裝1 節(jié)800 mm 短槽。安裝時(shí)，工作面安裝支架140 臺(tái)，前部刮板輸送機(jī)132 節(jié)，后部刮板輸送機(jī)130 節(jié)。

2.3 調(diào)斜回采工藝

調(diào)斜分為實(shí)心調(diào)斜與虛心調(diào)斜。

1）實(shí)心調(diào)斜。實(shí)心調(diào)斜是工作面設(shè)備以機(jī)頭為旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行，旋轉(zhuǎn)末端為機(jī)尾。其突出特點(diǎn)為工作面能夠較快調(diào)向、工期短；缺點(diǎn)是機(jī)頭處基本沒有推進(jìn)度，支架對(duì)頂板反復(fù)支撐、卸載，導(dǎo)致支架上方煤巖破壞。

2）虛心調(diào)斜。虛心調(diào)斜是將調(diào)采旋轉(zhuǎn)中心由工作面機(jī)頭處移至工作面以外，可以使機(jī)頭間歇推進(jìn)，避免支架對(duì)頂板的破壞，有利于運(yùn)輸機(jī)、支架狀態(tài)的調(diào)整。缺點(diǎn)是調(diào)采工期較長。

根據(jù)81308 工作面實(shí)際狀況，由于接續(xù)工作面與81308 工作面之間留有40 m 隔離煤柱，預(yù)計(jì)81308 運(yùn)輸工作面巷道圍巖變形較小，可以較容易實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)頭在反復(fù)加卸載作用下的頂板控制，同時(shí)快速調(diào)斜可以減少一部分隱患，因此確定采用實(shí)心調(diào)斜開采方案進(jìn)行調(diào)斜。

確定以前部刮板輸送機(jī)機(jī)頭中心線與81308 運(yùn)輸巷正幫延長線的交點(diǎn)為原點(diǎn)進(jìn)行實(shí)心調(diào)斜。81308工作面初采調(diào)斜方案如圖2。

圖2 81308 工作面初采調(diào)斜方案圖Fig.2 Initial mining slope adjustment plan of 81308 working face

2.3.1 循環(huán)刀數(shù)

由于每刀煤要割出標(biāo)準(zhǔn)的面積，同時(shí)短刀與長刀的切割線必須平行，而在短刀割煤過后，必然會(huì)與長刀切割線相交產(chǎn)生拐點(diǎn)，工藝要求拐點(diǎn)的彎曲角度與割通刀后的角度相同，同時(shí)要求該角度不得大于輸送機(jī)最大水平彎曲角度。工藝設(shè)計(jì)要求每1個(gè)彎曲點(diǎn)即拐點(diǎn)彎曲度必須與整個(gè)循環(huán)的總轉(zhuǎn)角相同，因此，每1 個(gè)大循環(huán)的總轉(zhuǎn)角也要同時(shí)滿足必須小于等于刮板輸送機(jī)最大水平彎曲度的要求。循環(huán)內(nèi)調(diào)斜切割刀數(shù)m 為：

式中：m 為循環(huán)內(nèi)調(diào)采切割刀數(shù)；B 為正規(guī)循環(huán)進(jìn)尺，即采煤機(jī)截深，0.8 m；L 為工作面長度，240 m；α 為單次旋轉(zhuǎn)角度，（°）。

計(jì)算得m=5.24，則取m=6。

循環(huán)內(nèi)切割刀數(shù)為6 刀，則完成1 次調(diào)斜循環(huán)，其循環(huán)轉(zhuǎn)角α 為：

計(jì)算可得α 為1.15。1 個(gè)循環(huán)內(nèi)，通過5 茬短刀加1 個(gè)通刀共計(jì)6 刀的形式可以完成1 個(gè)循環(huán)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)研究表明：第1 刀短刀及通刀開始的位置分別為機(jī)尾110 架、85 架、60 架、40 架、20 架和機(jī)頭。

由于機(jī)頭為旋轉(zhuǎn)中心，第1 刀機(jī)頭保持不動(dòng)，第1 刀結(jié)束后，機(jī)頭保持原裝不進(jìn)行推移，在該處進(jìn)刀時(shí)，采煤機(jī)實(shí)際是空刀通過。割完以后，通過及時(shí)調(diào)架等措施，保證工作面“兩平三直”。

旋轉(zhuǎn)段循環(huán)數(shù)確定：

式中：M 為總循環(huán)數(shù)；β 為總旋轉(zhuǎn)角度，30°。

經(jīng)計(jì)算，旋轉(zhuǎn)段共需26 個(gè)大循環(huán)。

2.3.2 循環(huán)進(jìn)刀方式

根據(jù)上節(jié)計(jì)算結(jié)果，確定81308 工作面每個(gè)大循環(huán)的循環(huán)刀數(shù)為6 刀，每循環(huán)6 茬，第1 個(gè)循環(huán)內(nèi)短刀按以下順序依次進(jìn)行：110#、85#、60#、40#、20#共完成5 個(gè)短刀，第6 茬割通刀至刮板輸送機(jī)機(jī)頭。為防止每個(gè)循環(huán)的短刀都從相同位置進(jìn)刀，造成拐點(diǎn)彎曲度過大，第2 個(gè)循環(huán)內(nèi)短刀按以下順序依次進(jìn)行：117#、94#、71#、48#、24#共完成5 個(gè)短刀，第6 茬割通刀至刮板機(jī)機(jī)頭。第3、第4 個(gè)循環(huán)，重復(fù)第1、第2 個(gè)循環(huán)進(jìn)刀順序和位置，依次類推。每個(gè)大循環(huán)進(jìn)刀圖如圖3。

圖3 每個(gè)大循環(huán)進(jìn)刀圖Fig.3 The feed chart of each large cycle

調(diào)斜回采過程中，前部刮板輸送機(jī)卸載部一直在轉(zhuǎn)載機(jī)內(nèi)，能保證正常卸煤，后部刮板輸送機(jī)逐漸向機(jī)尾方向上竄，工作面調(diào)到位后，向上竄3.4 m，在調(diào)斜過程中加后部刮板輸送機(jī)，具體為旋轉(zhuǎn)第7 個(gè)循環(huán)時(shí)需用1.75 m 刮板輸送機(jī)機(jī)槽替換0.8 m的刮板輸送機(jī)機(jī)槽，最后需再加1 節(jié)刮板輸送機(jī)機(jī)槽。后部刮板輸送機(jī)隨著工作面長度逐漸縮小，從超出81308 一號(hào)回風(fēng)巷正幫0.9 m 開始逐漸將副幫竄動(dòng)，調(diào)斜結(jié)束時(shí)，超出81308 一號(hào)回風(fēng)巷正幫3.2 m，距副幫1.8 m。調(diào)斜時(shí)刮板輸送機(jī)機(jī)頭機(jī)尾運(yùn)動(dòng)軌跡圖如圖4 和圖5。

圖4 前、后部刮板輸送機(jī)機(jī)頭運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.4 The movement trajectory diagram of the front and rear transport aircraft nose

圖5 前部刮板輸送機(jī)機(jī)尾運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.5 The trajectory diagram of the tail of the front transport aircraft

3 旋轉(zhuǎn)開采過程中礦壓規(guī)律數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型

為研究放頂煤工作面旋轉(zhuǎn)開采過程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，以保德煤礦81308 工作面為工程地質(zhì)背景，建立地質(zhì)模型。數(shù)值計(jì)算模型如圖6。三維模型網(wǎng)格劃分如圖7，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)表Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

圖6 數(shù)值計(jì)算模型Fig.6 Numerical calculation model

圖7 三維數(shù)值計(jì)算模型Fig.7 Three-dimensional numerical calculation model

3.2 81308 綜放工作面調(diào)斜開采工作面力學(xué)響應(yīng)特性

根據(jù)81308 綜放工作面的實(shí)際情況，采用分步開挖的形式對(duì)模型進(jìn)行開挖，工作面經(jīng)過26 次調(diào)斜后完成旋轉(zhuǎn)，為分析方便，同時(shí)得出一般規(guī)律，此次分析選取旋轉(zhuǎn)10°、20°、30°來進(jìn)行研究，以期得到一般規(guī)律。由于旋轉(zhuǎn)過程中上下兩巷要經(jīng)過多次采動(dòng)影響，故加入研究上下兩巷在調(diào)斜過程中力學(xué)響應(yīng)特性。

3.2.1 工作面調(diào)斜開采周期內(nèi)采場(chǎng)垂直應(yīng)力分布不同狀態(tài)下采場(chǎng)應(yīng)力分布模擬結(jié)果如圖8。

圖8 旋轉(zhuǎn)過程中應(yīng)力變化圖Fig.8 Stress change diagrams during rotation

調(diào)斜開采初始階段，由于工作面的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致隨著距離左巷（下稱下巷）的距離增加，頂板的懸頂面積也在增加，使得距離下巷距離越遠(yuǎn)，應(yīng)力集中程度越大，同時(shí)由于下巷懸頂距離非常小，導(dǎo)致工作面中部以下圍巖應(yīng)力較小，圍巖應(yīng)力最大處發(fā)育在中部以上靠近上巷位置處，距離工作面中心線距離為63 m，最終導(dǎo)致調(diào)斜初期工作面頂板應(yīng)力出現(xiàn)嚴(yán)重的不對(duì)稱性。由于81308 工作面采用實(shí)心調(diào)斜方案進(jìn)行調(diào)斜，下巷附近頂板懸頂距離基本為0，導(dǎo)致下巷圍巖基本未出現(xiàn)應(yīng)力集中。隨著調(diào)斜進(jìn)入中期，下巷附近處頂板懸頂面積在逐漸增長，但仍較中部以上工作面較短，工作面應(yīng)力仍然保持不均勻性，圍巖應(yīng)力最大處發(fā)育在中部以上靠近上巷位置處，距離工作面中心線距離為36 m，下巷圍巖仍未出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)工作面接近調(diào)斜結(jié)束時(shí)，隨著工作面的正常旋轉(zhuǎn)與推進(jìn)，工作面頂板應(yīng)力分布情況逐漸趨于對(duì)稱。同時(shí)在頂板壓力作用下，下巷也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，上、下巷應(yīng)力集中系數(shù)分別為2.2、2.6，兩回采巷道圍巖應(yīng)力也趨于對(duì)稱。

3.2.2 工作面調(diào)斜開采周期內(nèi)位移分布

不同狀態(tài)下采場(chǎng)位移分布模擬結(jié)果如圖9。

圖9 旋轉(zhuǎn)過程中位移變化圖Fig.9 Displacement change diagrams during rotation

隨著調(diào)斜過程進(jìn)行，由于頂板懸頂結(jié)構(gòu)的差異性導(dǎo)致距離下巷不同位置處工作面頂板形成不同長度的懸頂結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致隨著距下巷距離的增大，工作面承受的壓力逐漸增大，在不同應(yīng)力作用條件下導(dǎo)致頂板壓力呈現(xiàn)出上巷附近變形較大，下巷附近變形比較小的狀態(tài)，圍巖變形最大處位于中部以上靠近上巷位置處，最終形成不對(duì)稱分布狀態(tài)，同時(shí)上巷在較大應(yīng)力條件下變形較大，下巷變形較小。調(diào)斜初始階段頂板圍巖變形最大處距離巷道中心線65 m，最大位移為0.31 m，調(diào)斜中期頂板圍巖變形最大處距離中心線38 m，最大位移為0.42 m。當(dāng)工作面調(diào)斜接近結(jié)束時(shí)，基本與應(yīng)力最大位置處重合，由于應(yīng)力的均勻分布導(dǎo)致在應(yīng)力作用下圍巖變形基本呈對(duì)稱分布狀態(tài)，最大位移為0.48 m。

3.2.3 工作面調(diào)斜開采周期內(nèi)塑性區(qū)分布

旋轉(zhuǎn)過程中塑性區(qū)變化如圖10。

圖10 旋轉(zhuǎn)過程中塑性區(qū)變化圖Fig.10 Changes in the plastic zone during rotation

由圖10 可知，隨著調(diào)斜過程進(jìn)行，在頂板應(yīng)力的作用下，在不同應(yīng)力作用條件下導(dǎo)致巷道頂板及圍巖產(chǎn)生不同的塑形變形，具體表現(xiàn)為：上巷附近塑形變形區(qū)范圍較大，下巷附近塑性區(qū)范圍較下，最終形成不對(duì)稱分布狀態(tài)。調(diào)斜過程中，上巷的塑性區(qū)范圍大于下巷的塑性區(qū)范圍。調(diào)斜初期塑性區(qū)主要分布在采空中心線到上巷部分，采空區(qū)內(nèi)塑性區(qū)發(fā)育深度為4 m，上巷塑性區(qū)發(fā)育深度為1 m。調(diào)斜中期（旋轉(zhuǎn)20°）塑性區(qū)也主要分布在采空中心線到上巷部分，采空區(qū)內(nèi)塑性區(qū)發(fā)育深度為12 m，上巷塑性區(qū)發(fā)育深度為1.3 m。調(diào)斜末期（旋轉(zhuǎn)30°）塑性區(qū)基本對(duì)稱分布，采空區(qū)內(nèi)塑性區(qū)發(fā)育深度為34 m，上巷塑性區(qū)發(fā)育深度為2.1 m，下巷也出現(xiàn)塑性區(qū)發(fā)育現(xiàn)象，發(fā)育深度為1.3 m。

4 結(jié) 語

1）采用分段折線方式掘進(jìn)，可以確保調(diào)斜過程中工作面等長布置。

2）將端頭支架與轉(zhuǎn)載機(jī)向外側(cè)偏移5°可以保證前刮板機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)及組合支架的順利搭接。通過實(shí)心旋轉(zhuǎn)的方式，并配合長短刀結(jié)合的進(jìn)刀方式實(shí)現(xiàn)了工作面的連續(xù)推進(jìn)。

3）數(shù)值模擬結(jié)果表明：調(diào)斜過程中，工作面頂板應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布呈不對(duì)稱分布的狀態(tài)，隨調(diào)斜的進(jìn)行，中心逐漸由靠近上巷位置向工作面中心轉(zhuǎn)移，調(diào)斜結(jié)束時(shí)，不對(duì)稱現(xiàn)象消失。

4）隨著調(diào)斜過程中的逐步進(jìn)行，下巷受采動(dòng)影響逐步增強(qiáng)，巷道應(yīng)力集中系數(shù)變大，位移逐漸變大，塑性區(qū)范圍逐漸發(fā)育，當(dāng)調(diào)斜結(jié)束時(shí)，在上巷也出現(xiàn)了應(yīng)力集中與塑性區(qū)發(fā)育的現(xiàn)象。

5）調(diào)斜角度為10°、20°、30°時(shí)，采空區(qū)中部圍巖最大變形依次為0.31、0.42、0.48 m，塑性區(qū)發(fā)育深度依次為4、12、32 m。上巷圍巖最大變形依次為40、80、130 mm，塑性區(qū)發(fā)育深度為1.0、1.3、2.0 m。調(diào)斜結(jié)束時(shí)下巷塑性區(qū)發(fā)育深度為1.3 m。