保德煤矿综放工作面旋转开采技术及矿压规律

杨晓东，李存洲

（1.国家能源集团神东煤炭集团 大柳塔煤矿，陕西 神木 719315；2.国家能源集团神东煤炭集团 保德煤矿，山西 忻州 034000）

煤炭资源作为不可再生资源，对其进行合理的开发与利用具有极其重要的意义[1-2]。由于煤层赋存情况、采掘布置等内外部因素，会出现部分不规则的工作面，由于不规则工作面开采时的端头设备搭接、开采工艺等技术目前尚不成熟，同时不规则工作面开采过程中矿压规律尚不明确，往往会采用传统的工作面布置方式进行工作面的回采，导致丢失大量煤柱，造成资源的严重浪费。为此，国内外学者做出了大量的研究，并取得了一定的成果[3-20]。如杨继和[7]等从理论出发分析了旋转开采的理论可能性，并在煤矿开采实践中考证，取得了良好的效果。曾得国[8]等对不同形状、不同地质条件工作面旋转开采过程中的技术参数等进行了研究，提出了综放工作面边界三角煤旋转开采技术。董海宁等[15]采用数值模拟、现场应用等研究手段对旋转开采过程中矿压显现规律进行了研究。虽然国内外学者对不规则工作面的旋转开采进行了大量的研究，但对巷道布置、设备搭接、调斜工艺方面存在的重大难题介绍得不够全面与细致，同时调斜过程中压力、塑性区及位移动态变化规律尚未系统研究。为了解决旋转开采不规则工作面的技术难题及系统研究开采过程中矿压规律，以保德煤矿81308 不规则综放工作面为背景，采用理论分析、数值模拟、现场试验相结合的方式对旋转工作面开采时的端头设备搭接、开采工艺及调斜过程中压力、塑性区及位移动态变化规律进行系统的研究，为类似条件下旋转开采和调斜面的安全高效生产提供借鉴，对提高资源回收率及保证矿井的安全高效开采具有重要的意义。

1 工作面概况

保德煤矿81308 综放工作面走向平均长度为2 545 m，倾斜长240 m，煤层倾角2°～9°，平均4°；煤层厚度6.6～6.8 m，储量590.5 万t。采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤法进行采煤，工作面采厚为3.8 m，循环步距0.865 m。煤层顶、底板岩性见表1。

表1 工作面煤层顶底板情况Table 1 Roof and floor conditions of coal seam in working face

81308 综放工作面主要设备型号及主要技术参数为：①7LS6C－LWS716 采煤机：电动机功率2 125 kW；②ZFY12500/25/39D 液压支架：支撑高度2.5～3.9 m；③ZFG12500/25/39D 过渡支架：支撑高度2.5～3.9 m；④ZFT19600/25/40D 组合端头支架：支撑高度2.5～3.9 m；⑤ZFP12000/26/41D 排头支架：支撑高度2.6～4.1 m；⑥SGZ900/2×1 000 前部刮板输送机：电动机功率2×1 000 kW；⑦SGZ1000/2×1 000：电动机功率2×1 000 kW；⑧SZZ1350/700 转载机：电动机功率700 kW；⑨PCM700 破碎机：电动机功率700 kW。

2 旋转开采关键工艺

2.1 巷道布置

工作面不等长会导致工作面设备搭接情况复杂，同时由于工作面长度变化会导致设备再安装完成后再进行设备拆除、移动及更换等困难，在此次旋转开采过程中，采用分段掘进及边掘进边调整的方式对巷道进行调整，最终保证工作面等长布置。

按照等长布置81308 工作面的原则，回风巷道在掘进时分4 段进行掘进，以下巷为旋转中心，4 段巷道的旋转角分别为3.75°、7.50°、7.50°、7.50°及3.75°，根据旋转角度及旋转半径，4 段折线的长度分别为32、35、35、32 m。巷道施工完成后，81308 一号回风平巷旋转开采段布置如图1。

图1 旋转开采段1 号回风平巷布置图Fig.1 Layout of No. 1 return air lane in the rotating mining section

2.2 设备布置方案

保德煤矿81308 工作面采用放顶煤开采工艺进行回采，采用前、后2 台刮板输送机进行运输，且二者间的中心距为7.2 m，在下端头布置端头液压支架、排头架、过渡支架控制顶板。旋转开采时，开切眼沿井田边界布置，因此81308 运输巷呈123°角与开切眼斜交，如何在旋转过程中实现钝角关系中的成功与安全搭接，一直是技术难题。

结合后期正常回采的顺利过渡，减少运输机和支架的安拆量，确定切眼内安装支架141 台。初期安装时，因工作面切眼与运输巷不是垂直布置，工作面前后运输机与转载机搭接长度不一致。根据三机配套思考，如果要保证在下端头钝角关系中前后刮板输送机与转载机的正常搭接，在转载机与端头支架保持与运输巷平行布置的情况下，则前部刮板机机头将会与端头支架的立柱发生干涉，也就是说，无法实现前部刮板机与转载机的正常搭接，这就需要通过偏移运输机和端头架，以减少后刮板输送机与支架干涉的方案来实现前刮板输送机与端头架的正常搭接。

经过理论研究及现场多次实践表明：将端头支架与转载机向外偏移5°，同时为了保证空间布置需求对81308 运输巷进行扩帮处理，扩帮深度为1 m，扩帮长度为15 m，方向为端头支架处向前，扩帮后巷宽为6 m。最终保证前刮板输送机与转载机及组合支架的顺利搭接，安装时由于排头架与端头架干涉，1#排头架不进行安装、且端头架后部1 节2 片不进行安装，后部刮板输送机机头、机尾各少安装1节，中部槽安装1 节800 mm 短槽。安装时，工作面安装支架140 台，前部刮板输送机132 节，后部刮板输送机130 节。

2.3 调斜回采工艺

调斜分为实心调斜与虚心调斜。

1）实心调斜。实心调斜是工作面设备以机头为旋转中心进行，旋转末端为机尾。其突出特点为工作面能够较快调向、工期短；缺点是机头处基本没有推进度，支架对顶板反复支撑、卸载，导致支架上方煤岩破坏。

2）虚心调斜。虚心调斜是将调采旋转中心由工作面机头处移至工作面以外，可以使机头间歇推进，避免支架对顶板的破坏，有利于运输机、支架状态的调整。缺点是调采工期较长。

根据81308 工作面实际状况，由于接续工作面与81308 工作面之间留有40 m 隔离煤柱，预计81308 运输工作面巷道围岩变形较小，可以较容易实现对机头在反复加卸载作用下的顶板控制，同时快速调斜可以减少一部分隐患，因此确定采用实心调斜开采方案进行调斜。

确定以前部刮板输送机机头中心线与81308 运输巷正帮延长线的交点为原点进行实心调斜。81308工作面初采调斜方案如图2。

图2 81308 工作面初采调斜方案图Fig.2 Initial mining slope adjustment plan of 81308 working face

2.3.1 循环刀数

由于每刀煤要割出标准的面积，同时短刀与长刀的切割线必须平行，而在短刀割煤过后，必然会与长刀切割线相交产生拐点，工艺要求拐点的弯曲角度与割通刀后的角度相同，同时要求该角度不得大于输送机最大水平弯曲角度。工艺设计要求每1个弯曲点即拐点弯曲度必须与整个循环的总转角相同，因此，每1 个大循环的总转角也要同时满足必须小于等于刮板输送机最大水平弯曲度的要求。循环内调斜切割刀数m 为：

式中：m 为循环内调采切割刀数；B 为正规循环进尺，即采煤机截深，0.8 m；L 为工作面长度，240 m；α 为单次旋转角度，（°）。

计算得m=5.24，则取m=6。

循环内切割刀数为6 刀，则完成1 次调斜循环，其循环转角α 为：

计算可得α 为1.15。1 个循环内，通过5 茬短刀加1 个通刀共计6 刀的形式可以完成1 个循环。经过现场研究表明：第1 刀短刀及通刀开始的位置分别为机尾110 架、85 架、60 架、40 架、20 架和机头。

由于机头为旋转中心，第1 刀机头保持不动，第1 刀结束后，机头保持原装不进行推移，在该处进刀时，采煤机实际是空刀通过。割完以后，通过及时调架等措施，保证工作面“两平三直”。

旋转段循环数确定：

式中：M 为总循环数；β 为总旋转角度，30°。

经计算，旋转段共需26 个大循环。

2.3.2 循环进刀方式

根据上节计算结果，确定81308 工作面每个大循环的循环刀数为6 刀，每循环6 茬，第1 个循环内短刀按以下顺序依次进行：110#、85#、60#、40#、20#共完成5 个短刀，第6 茬割通刀至刮板输送机机头。为防止每个循环的短刀都从相同位置进刀，造成拐点弯曲度过大，第2 个循环内短刀按以下顺序依次进行：117#、94#、71#、48#、24#共完成5 个短刀，第6 茬割通刀至刮板机机头。第3、第4 个循环，重复第1、第2 个循环进刀顺序和位置，依次类推。每个大循环进刀图如图3。

图3 每个大循环进刀图Fig.3 The feed chart of each large cycle

调斜回采过程中，前部刮板输送机卸载部一直在转载机内，能保证正常卸煤，后部刮板输送机逐渐向机尾方向上窜，工作面调到位后，向上窜3.4 m，在调斜过程中加后部刮板输送机，具体为旋转第7 个循环时需用1.75 m 刮板输送机机槽替换0.8 m的刮板输送机机槽，最后需再加1 节刮板输送机机槽。后部刮板输送机随着工作面长度逐渐缩小，从超出81308 一号回风巷正帮0.9 m 开始逐渐将副帮窜动，调斜结束时，超出81308 一号回风巷正帮3.2 m，距副帮1.8 m。调斜时刮板输送机机头机尾运动轨迹图如图4 和图5。

图4 前、后部刮板输送机机头运动轨迹图Fig.4 The movement trajectory diagram of the front and rear transport aircraft nose

图5 前部刮板输送机机尾运动轨迹图Fig.5 The trajectory diagram of the tail of the front transport aircraft

3 旋转开采过程中矿压规律数值模拟

3.1 数值模型

为研究放顶煤工作面旋转开采过程中矿压显现规律，以保德煤矿81308 工作面为工程地质背景，建立地质模型。数值计算模型如图6。三维模型网格划分如图7，煤岩体物理力学参数见表2。

表2 煤岩体物理力学参数表Table 2 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

图6 数值计算模型Fig.6 Numerical calculation model

图7 三维数值计算模型Fig.7 Three-dimensional numerical calculation model

3.2 81308 综放工作面调斜开采工作面力学响应特性

根据81308 综放工作面的实际情况，采用分步开挖的形式对模型进行开挖，工作面经过26 次调斜后完成旋转，为分析方便，同时得出一般规律，此次分析选取旋转10°、20°、30°来进行研究，以期得到一般规律。由于旋转过程中上下两巷要经过多次采动影响，故加入研究上下两巷在调斜过程中力学响应特性。

3.2.1 工作面调斜开采周期内采场垂直应力分布不同状态下采场应力分布模拟结果如图8。

图8 旋转过程中应力变化图Fig.8 Stress change diagrams during rotation

调斜开采初始阶段，由于工作面的旋转导致随着距离左巷（下称下巷）的距离增加，顶板的悬顶面积也在增加，使得距离下巷距离越远，应力集中程度越大，同时由于下巷悬顶距离非常小，导致工作面中部以下围岩应力较小，围岩应力最大处发育在中部以上靠近上巷位置处，距离工作面中心线距离为63 m，最终导致调斜初期工作面顶板应力出现严重的不对称性。由于81308 工作面采用实心调斜方案进行调斜，下巷附近顶板悬顶距离基本为0，导致下巷围岩基本未出现应力集中。随着调斜进入中期，下巷附近处顶板悬顶面积在逐渐增长，但仍较中部以上工作面较短，工作面应力仍然保持不均匀性，围岩应力最大处发育在中部以上靠近上巷位置处，距离工作面中心线距离为36 m，下巷围岩仍未出现应力集中。当工作面接近调斜结束时，随着工作面的正常旋转与推进，工作面顶板应力分布情况逐渐趋于对称。同时在顶板压力作用下，下巷也出现了应力集中现象，上、下巷应力集中系数分别为2.2、2.6，两回采巷道围岩应力也趋于对称。

3.2.2 工作面调斜开采周期内位移分布

不同状态下采场位移分布模拟结果如图9。

图9 旋转过程中位移变化图Fig.9 Displacement change diagrams during rotation

随着调斜过程进行，由于顶板悬顶结构的差异性导致距离下巷不同位置处工作面顶板形成不同长度的悬顶结构，导致随着距下巷距离的增大，工作面承受的压力逐渐增大，在不同应力作用条件下导致顶板压力呈现出上巷附近变形较大，下巷附近变形比较小的状态，围岩变形最大处位于中部以上靠近上巷位置处，最终形成不对称分布状态，同时上巷在较大应力条件下变形较大，下巷变形较小。调斜初始阶段顶板围岩变形最大处距离巷道中心线65 m，最大位移为0.31 m，调斜中期顶板围岩变形最大处距离中心线38 m，最大位移为0.42 m。当工作面调斜接近结束时，基本与应力最大位置处重合，由于应力的均匀分布导致在应力作用下围岩变形基本呈对称分布状态，最大位移为0.48 m。

3.2.3 工作面调斜开采周期内塑性区分布

旋转过程中塑性区变化如图10。

图10 旋转过程中塑性区变化图Fig.10 Changes in the plastic zone during rotation

由图10 可知，随着调斜过程进行，在顶板应力的作用下，在不同应力作用条件下导致巷道顶板及围岩产生不同的塑形变形，具体表现为：上巷附近塑形变形区范围较大，下巷附近塑性区范围较下，最终形成不对称分布状态。调斜过程中，上巷的塑性区范围大于下巷的塑性区范围。调斜初期塑性区主要分布在采空中心线到上巷部分，采空区内塑性区发育深度为4 m，上巷塑性区发育深度为1 m。调斜中期（旋转20°）塑性区也主要分布在采空中心线到上巷部分，采空区内塑性区发育深度为12 m，上巷塑性区发育深度为1.3 m。调斜末期（旋转30°）塑性区基本对称分布，采空区内塑性区发育深度为34 m，上巷塑性区发育深度为2.1 m，下巷也出现塑性区发育现象，发育深度为1.3 m。

4 结 语

1）采用分段折线方式掘进，可以确保调斜过程中工作面等长布置。

2）将端头支架与转载机向外侧偏移5°可以保证前刮板机与转载机及组合支架的顺利搭接。通过实心旋转的方式，并配合长短刀结合的进刀方式实现了工作面的连续推进。

3）数值模拟结果表明：调斜过程中，工作面顶板应力、位移、塑性区分布呈不对称分布的状态，随调斜的进行，中心逐渐由靠近上巷位置向工作面中心转移，调斜结束时，不对称现象消失。

4）随着调斜过程中的逐步进行，下巷受采动影响逐步增强，巷道应力集中系数变大，位移逐渐变大，塑性区范围逐渐发育，当调斜结束时，在上巷也出现了应力集中与塑性区发育的现象。

5）调斜角度为10°、20°、30°时，采空区中部围岩最大变形依次为0.31、0.42、0.48 m，塑性区发育深度依次为4、12、32 m。上巷围岩最大变形依次为40、80、130 mm，塑性区发育深度为1.0、1.3、2.0 m。调斜结束时下巷塑性区发育深度为1.3 m。