楊曉東，李存洲

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

煤炭資源作為不可再生資源，對其進行合理的開發(fā)與利用具有極其重要的意義[1-2]。由于煤層賦存情況、采掘布置等內外部因素，會出現(xiàn)部分不規(guī)則的工作面，由于不規(guī)則工作面開采時的端頭設備搭接、開采工藝等技術目前尚不成熟，同時不規(guī)則工作面開采過程中礦壓規(guī)律尚不明確，往往會采用傳統(tǒng)的工作面布置方式進行工作面的回采，導致丟失大量煤柱，造成資源的嚴重浪費。為此，國內外學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)分析了旋轉開采的理論可能性，并在煤礦開采實踐中考證，取得了良好的效果。曾得國[8]等對不同形狀、不同地質條件工作面旋轉開采過程中的技術參數(shù)等進行了研究，提出了綜放工作面邊界三角煤旋轉開采技術。董海寧等[15]采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場應用等研究手段對旋轉開采過程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了研究。雖然國內外學者對不規(guī)則工作面的旋轉開采進行了大量的研究，但對巷道布置、設備搭接、調斜工藝方面存在的重大難題介紹得不夠全面與細致，同時調斜過程中壓力、塑性區(qū)及位移動態(tài)變化規(guī)律尚未系統(tǒng)研究。為了解決旋轉開采不規(guī)則工作面的技術難題及系統(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)場試驗相結合的方式對旋轉工作面開采時的端頭設備搭接、開采工藝及調斜過程中壓力、塑性區(qū)及位移動態(tài)變化規(guī)律進行系統(tǒng)的研究，為類似條件下旋轉開采和調斜面的安全高效生產提供借鑒，對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，儲量590.5 萬t。采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤法進行采煤，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 綜放工作面主要設備型號及主要技術參數(shù)為：①7LS6C－LWS716 采煤機：電動機功率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：電動機功率2×1 000 kW；⑦SGZ1000/2×1 000：電動機功率2×1 000 kW；⑧SZZ1350/700 轉載機：電動機功率700 kW；⑨PCM700 破碎機：電動機功率700 kW。

2 旋轉開采關鍵工藝

2.1 巷道布置

工作面不等長會導致工作面設備搭接情況復雜，同時由于工作面長度變化會導致設備再安裝完成后再進行設備拆除、移動及更換等困難，在此次旋轉開采過程中，采用分段掘進及邊掘進邊調整的方式對巷道進行調整，最終保證工作面等長布置。

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

圖1 旋轉開采段1 號回風平巷布置圖Fig.1 Layout of No. 1 return air lane in the rotating mining section

2.2 設備布置方案

保德煤礦81308 工作面采用放頂煤開采工藝進行回采，采用前、后2 臺刮板輸送機進行運輸，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。旋轉開采時，開切眼沿井田邊界布置，因此81308 運輸巷呈123°角與開切眼斜交，如何在旋轉過程中實現(xiàn)鈍角關系中的成功與安全搭接，一直是技術難題。

結合后期正常回采的順利過渡，減少運輸機和支架的安拆量，確定切眼內安裝支架141 臺。初期安裝時，因工作面切眼與運輸巷不是垂直布置，工作面前后運輸機與轉載機搭接長度不一致。根據(jù)三機配套思考，如果要保證在下端頭鈍角關系中前后刮板輸送機與轉載機的正常搭接，在轉載機與端頭支架保持與運輸巷平行布置的情況下，則前部刮板機機頭將會與端頭支架的立柱發(fā)生干涉，也就是說，無法實現(xiàn)前部刮板機與轉載機的正常搭接，這就需要通過偏移運輸機和端頭架，以減少后刮板輸送機與支架干涉的方案來實現(xiàn)前刮板輸送機與端頭架的正常搭接。

經過理論研究及現(xiàn)場多次實踐表明：將端頭支架與轉載機向外偏移5°，同時為了保證空間布置需求對81308 運輸巷進行擴幫處理，擴幫深度為1 m，擴幫長度為15 m，方向為端頭支架處向前，擴幫后巷寬為6 m。最終保證前刮板輸送機與轉載機及組合支架的順利搭接，安裝時由于排頭架與端頭架干涉，1#排頭架不進行安裝、且端頭架后部1 節(jié)2 片不進行安裝，后部刮板輸送機機頭、機尾各少安裝1節(jié)，中部槽安裝1 節(jié)800 mm 短槽。安裝時，工作面安裝支架140 臺，前部刮板輸送機132 節(jié)，后部刮板輸送機130 節(jié)。

2.3 調斜回采工藝

調斜分為實心調斜與虛心調斜。

1）實心調斜。實心調斜是工作面設備以機頭為旋轉中心進行，旋轉末端為機尾。其突出特點為工作面能夠較快調向、工期短；缺點是機頭處基本沒有推進度，支架對頂板反復支撐、卸載，導致支架上方煤巖破壞。

2）虛心調斜。虛心調斜是將調采旋轉中心由工作面機頭處移至工作面以外，可以使機頭間歇推進，避免支架對頂板的破壞，有利于運輸機、支架狀態(tài)的調整。缺點是調采工期較長。

根據(jù)81308 工作面實際狀況，由于接續(xù)工作面與81308 工作面之間留有40 m 隔離煤柱，預計81308 運輸工作面巷道圍巖變形較小，可以較容易實現(xiàn)對機頭在反復加卸載作用下的頂板控制，同時快速調斜可以減少一部分隱患，因此確定采用實心調斜開采方案進行調斜。

確定以前部刮板輸送機機頭中心線與81308 運輸巷正幫延長線的交點為原點進行實心調斜。81308工作面初采調斜方案如圖2。

圖2 81308 工作面初采調斜方案圖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準的面積，同時短刀與長刀的切割線必須平行，而在短刀割煤過后，必然會與長刀切割線相交產生拐點，工藝要求拐點的彎曲角度與割通刀后的角度相同，同時要求該角度不得大于輸送機最大水平彎曲角度。工藝設計要求每1個彎曲點即拐點彎曲度必須與整個循環(huán)的總轉角相同，因此，每1 個大循環(huán)的總轉角也要同時滿足必須小于等于刮板輸送機最大水平彎曲度的要求。循環(huán)內調斜切割刀數(shù)m 為：

式中：m 為循環(huán)內調采切割刀數(shù)；B 為正規(guī)循環(huán)進尺，即采煤機截深，0.8 m；L 為工作面長度，240 m；α 為單次旋轉角度，（°）。

計算得m=5.24，則取m=6。

循環(huán)內切割刀數(shù)為6 刀，則完成1 次調斜循環(huán)，其循環(huán)轉角α 為：

計算可得α 為1.15。1 個循環(huán)內，通過5 茬短刀加1 個通刀共計6 刀的形式可以完成1 個循環(huán)。經過現(xiàn)場研究表明：第1 刀短刀及通刀開始的位置分別為機尾110 架、85 架、60 架、40 架、20 架和機頭。

由于機頭為旋轉中心，第1 刀機頭保持不動，第1 刀結束后，機頭保持原裝不進行推移，在該處進刀時，采煤機實際是空刀通過。割完以后，通過及時調架等措施，保證工作面“兩平三直”。

旋轉段循環(huán)數(shù)確定：

式中：M 為總循環(huán)數(shù)；β 為總旋轉角度，30°。

經計算，旋轉段共需26 個大循環(huán)。

2.3.2 循環(huán)進刀方式

根據(jù)上節(jié)計算結果，確定81308 工作面每個大循環(huán)的循環(huán)刀數(shù)為6 刀，每循環(huán)6 茬，第1 個循環(huán)內短刀按以下順序依次進行：110#、85#、60#、40#、20#共完成5 個短刀，第6 茬割通刀至刮板輸送機機頭。為防止每個循環(huán)的短刀都從相同位置進刀，造成拐點彎曲度過大，第2 個循環(huán)內短刀按以下順序依次進行：117#、94#、71#、48#、24#共完成5 個短刀，第6 茬割通刀至刮板機機頭。第3、第4 個循環(huán)，重復第1、第2 個循環(huán)進刀順序和位置，依次類推。每個大循環(huán)進刀圖如圖3。

圖3 每個大循環(huán)進刀圖Fig.3 The feed chart of each large cycle

調斜回采過程中，前部刮板輸送機卸載部一直在轉載機內，能保證正常卸煤，后部刮板輸送機逐漸向機尾方向上竄，工作面調到位后，向上竄3.4 m，在調斜過程中加后部刮板輸送機，具體為旋轉第7 個循環(huán)時需用1.75 m 刮板輸送機機槽替換0.8 m的刮板輸送機機槽，最后需再加1 節(jié)刮板輸送機機槽。后部刮板輸送機隨著工作面長度逐漸縮小，從超出81308 一號回風巷正幫0.9 m 開始逐漸將副幫竄動，調斜結束時，超出81308 一號回風巷正幫3.2 m，距副幫1.8 m。調斜時刮板輸送機機頭機尾運動軌跡圖如圖4 和圖5。

圖4 前、后部刮板輸送機機頭運動軌跡圖Fig.4 The movement trajectory diagram of the front and rear transport aircraft nose

圖5 前部刮板輸送機機尾運動軌跡圖Fig.5 The trajectory diagram of the tail of the front transport aircraft

3 旋轉開采過程中礦壓規(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 工作面為工程地質背景，建立地質模型。數(shù)值計算模型如圖6。三維模型網(wǎng)格劃分如圖7，煤巖體物理力學參數(shù)見表2。

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

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

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

3.2 81308 綜放工作面調斜開采工作面力學響應特性

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

3.2.1 工作面調斜開采周期內采場垂直應力分布不同狀態(tài)下采場應力分布模擬結果如圖8。

圖8 旋轉過程中應力變化圖Fig.8 Stress change diagrams during rotation

調斜開采初始階段，由于工作面的旋轉導致隨著距離左巷（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，應力集中程度越大，同時由于下巷懸頂距離非常小，導致工作面中部以下圍巖應力較小，圍巖應力最大處發(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，最終導致調斜初期工作面頂板應力出現(xiàn)嚴重的不對稱性。由于81308 工作面采用實心調斜方案進行調斜，下巷附近頂板懸頂距離基本為0，導致下巷圍巖基本未出現(xiàn)應力集中。隨著調斜進入中期，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，工作面應力仍然保持不均勻性，圍巖應力最大處發(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)應力集中。當工作面接近調斜結束時，隨著工作面的正常旋轉與推進，工作面頂板應力分布情況逐漸趨于對稱。同時在頂板壓力作用下，下巷也出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，上、下巷應力集中系數(shù)分別為2.2、2.6，兩回采巷道圍巖應力也趨于對稱。

3.2.2 工作面調斜開采周期內位移分布

不同狀態(tài)下采場位移分布模擬結果如圖9。

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

隨著調斜過程進行，由于頂板懸頂結構的差異性導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構，導致隨著距下巷距離的增大，工作面承受的壓力逐漸增大，在不同應力作用條件下導致頂板壓力呈現(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，最終形成不對稱分布狀態(tài)，同時上巷在較大應力條件下變形較大，下巷變形較小。調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。當工作面調斜接近結束時，基本與應力最大位置處重合，由于應力的均勻分布導致在應力作用下圍巖變形基本呈對稱分布狀態(tài)，最大位移為0.48 m。

3.2.3 工作面調斜開采周期內塑性區(qū)分布

旋轉過程中塑性區(qū)變化如圖10。

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

由圖10 可知，隨著調斜過程進行，在頂板應力的作用下，在不同應力作用條件下導致巷道頂板及圍巖產生不同的塑形變形，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，最終形成不對稱分布狀態(tài)。調斜過程中，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。調斜中期（旋轉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。調斜末期（旋轉30°）塑性區(qū)基本對稱分布，采空區(qū)內塑性區(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 語

1）采用分段折線方式掘進，可以確保調斜過程中工作面等長布置。

2）將端頭支架與轉載機向外側偏移5°可以保證前刮板機與轉載機及組合支架的順利搭接。通過實心旋轉的方式，并配合長短刀結合的進刀方式實現(xiàn)了工作面的連續(xù)推進。

3）數(shù)值模擬結果表明：調斜過程中，工作面頂板應力、位移、塑性區(qū)分布呈不對稱分布的狀態(tài)，隨調斜的進行，中心逐漸由靠近上巷位置向工作面中心轉移，調斜結束時，不對稱現(xiàn)象消失。

4）隨著調斜過程中的逐步進行，下巷受采動影響逐步增強，巷道應力集中系數(shù)變大，位移逐漸變大，塑性區(qū)范圍逐漸發(fā)育，當調斜結束時，在上巷也出現(xiàn)了應力集中與塑性區(qū)發(fā)育的現(xiàn)象。

5）調斜角度為10°、20°、30°時，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。調斜結束時下巷塑性區(qū)發(fā)育深度為1.3 m。