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)場應(yīng)用等研究手段對旋轉(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)者對不規(guī)則工作面的旋轉(zhuǎn)開采進(jìn)行了大量的研究，但對巷道布置、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)場試驗(yàn)相結(jié)合的方式對旋轉(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(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)備型號及主要技術(shù)參數(shù)為：①7LS6C－LWS716 采煤機(jī)：電動機(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)：電動機(jī)功率2×1 000 kW；⑦SGZ1000/2×1 000：電動機(jī)功率2×1 000 kW；⑧SZZ1350/700 轉(zhuǎn)載機(jī)：電動機(jī)功率700 kW；⑨PCM700 破碎機(jī)：電動機(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導(dǎo)致設(shè)備再安裝完成后再進(jìn)行設(shè)備拆除、移動及更換等困難，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。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，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，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 一號回風(fēng)巷正幫0.9 m 開始逐漸將副幫竄動，調(diào)斜結(jié)束時(shí)，超出81308 一號回風(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)采場垂直應(yīng)力分布不同狀態(tài)下采場應(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。