楊路林，劉 倩，史晨昊

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，陜西 渭南 714000；2.山東科技大學，山東 青島 266590）

0 引 言

旋轉(zhuǎn)開采技術(shù)越來越多地被用于回采受斷層、邊角煤和保護煤柱等多種因素造成的不規(guī)則工作面[1-3]。楊曉東等[4]對保德煤礦81308旋轉(zhuǎn)工作面開采時的端頭設(shè)備搭接、開采工藝及礦壓規(guī)律等問題進行了研究。李順順等[5]對蘆嶺礦Ⅱ1041綜采工作面大角度旋轉(zhuǎn)開采方案、工藝參數(shù)和旋轉(zhuǎn)技術(shù)要求、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，并對整個采場的采動應(yīng)力變化規(guī)律進行了分析，有效解決了Ⅱ1041工作面旋轉(zhuǎn)開采期間刮板輸送機的上下竄動以及支架旋轉(zhuǎn)角度控制的問題。楊勝利等[6]研究了M型工作面的特殊回采工藝，使工作面連續(xù)多次大角度旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了M形工作面不搬家倒面高效回采。李亮等[7-8]采用理論分析的方法設(shè)計了旋轉(zhuǎn)工作面的轉(zhuǎn)采方案，并確定了轉(zhuǎn)采割煤參數(shù)。王惠風等[9]以三角煤實心旋轉(zhuǎn)回采技術(shù)理論，研究了三角煤回采過程中的端頭設(shè)備搭接、回采巷道布置、開采工藝及頂板控制技術(shù)。賈連鑫[10]研究發(fā)現(xiàn)寸草塔二礦31202 綜放工作面在回采過程中的逐漸調(diào)斜以及期間液壓支架的按步回撤技術(shù)可高效提高煤炭回采率。牛欽環(huán)等[11]研究初采調(diào)斜工作面前方支承壓力分布指出，支承壓力在工作面下端小于上端，且在初次來壓時，支承壓力達到峰值。楊科等[12]指出采場支架反復(fù)支撐、轉(zhuǎn)采區(qū)的應(yīng)力集中是造成旋轉(zhuǎn)采場和巷道圍巖易失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。針對旋轉(zhuǎn)技術(shù)的研究主要集中在旋轉(zhuǎn)工作面的回采工藝、割煤特點或礦壓顯現(xiàn)特征，且大都依靠經(jīng)驗或現(xiàn)場實測的方法總結(jié)規(guī)律[13-14]，而對于綜放采場旋轉(zhuǎn)區(qū)的頂板結(jié)構(gòu)特征、采場壓力演化規(guī)律等內(nèi)容尚未進行過系統(tǒng)地理論分析，故有必要對這些內(nèi)容進行全面且深入的研究，既能為復(fù)雜條件下拓寬綜放采煤的適用范圍增加采區(qū)回采率提供思路，也有助于創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益和社會效應(yīng)。

1 工程概況

長春興煤礦301綜放工作面主采22煤層，平均傾角3°，為近水平煤層，煤層厚度為7～12.5 m，平均為10.25 m，回采面覆巖運動參數(shù)見表1。301工作面設(shè)計總推進長度1 032 m，工作面長度230 m，設(shè)計采厚3.5 m，采放比為1∶2.5，工作面埋深220～250 m，平均埋深235 m。如圖1所示，工作面設(shè)計為一進一回二巷，沿煤層底板布置。但在301工作面末端，因礦井大巷與回采巷道不是垂直布置，若繼續(xù)按照正常推進方向回采，會滯留部分三角煤無法采出，故為最大可能采出煤炭資源，將末采階段回風巷道布置為弧形。

表1 頂板巖層運動參數(shù)

圖1 回采巷道布置Fig.1 Back-harvest roadway layout

如圖2所示，301工作面末采階段采用了以虛心O為旋轉(zhuǎn)中心的開采方式，整個旋轉(zhuǎn)開采過程中設(shè)置了23個調(diào)采循環(huán)，運輸巷推進18.4 m，回風巷推進195 m。每個循環(huán)內(nèi)機頭、機尾按照1∶11的比例進行推進，進刀位置處支架編號分別為12、24、36、48、60、72、84、96、108、120號，總計10個進刀點，每次旋轉(zhuǎn)角度為2°。

圖2 旋轉(zhuǎn)開采示意Fig.2 Diagram of recycling cycle

2 旋轉(zhuǎn)工作面頂板壓力分布特征理論分析

2.1 采場頂板結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)巖層運動參數(shù)計算可知[15-17]，采場中部區(qū)域一次回采厚度大，頂煤、①和②巖層均在其直接頂冒落范圍內(nèi)，隨采隨冒，③巖層以基本頂形式存在，其頂板結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。其中h為工作面采高，3.5 m；T為頂煤高度，5.5 m；MZ為直接頂厚度，9.6 m；ME為基本頂厚度，15.6 m；C為基本頂巖梁斷裂步距，18.1 m機尾區(qū)域不放煤，回采空間較小，下位頂煤垮落，上位頂煤受工作面煤壁和側(cè)向煤體支撐形成弧三角懸板結(jié)構(gòu)，但由于轉(zhuǎn)采期間推進速度快，且緊鄰中部放煤區(qū)域，受采動影響劇烈，三角弧懸板結(jié)構(gòu)容易破壞。

圖3 采場中部頂板結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Roof structure model of middle stope

對于機頭區(qū)域而言，301工作面進入轉(zhuǎn)采區(qū)前，端頭形成以煤壁和側(cè)方煤體為固支邊，采空區(qū)弧形斷裂線為自由邊的弧三角懸板結(jié)構(gòu)[18-19]，如圖4所示。但在轉(zhuǎn)采過程中，由于進尺遠小于機尾區(qū)域，且不再放煤，割煤方法的改變會影響上覆巖層的活動特征。進入轉(zhuǎn)采區(qū)后，頂煤冒落成為下位直接頂，由于下部回轉(zhuǎn)空間所限，①號巖層由正?；夭呻A段的冒落狀態(tài)演化成以回轉(zhuǎn)或變形失穩(wěn)為特點的類基本頂結(jié)構(gòu)，但因其物理強度有限，隨著工作面的持續(xù)推進，最終仍以冒落方式作用在機頭區(qū)支架上，見表1。②號隨著①號巖層的失穩(wěn)而垮落，屬上位直接頂范疇。③巖層不在機頭區(qū)冒落范圍內(nèi)，且強度較大，垮落步距為18.1 m，遠大于①、②巖層，見表1，因此以基本頂形式存在，其頂板結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。其中，h為工作面采高，3.5 m；T為頂煤高度，5.5 m；MZ為直接頂厚度，6.8 m；ME為基本頂厚度，18 m 。

圖4 端頭區(qū)弧三角板結(jié)構(gòu)Fig.4 Triangle roof plate with curve side of face end

圖5 機頭區(qū)頂板結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Roof structure model of beneath ending

2.2 礦壓分布特征理論分析

1）全工作面頂板壓力分布特征。根據(jù)轉(zhuǎn)采技術(shù)可知，進入轉(zhuǎn)采前，已經(jīng)將工作面上、下端頭的超前距調(diào)整為0，整個工作面在轉(zhuǎn)采線附近與上、下平巷垂直。為簡化模型，先假定此時工作面各處的頂板運動情況基本一致，則隨著回采面推進，采場各處懸頂面積逐漸增大，且各處懸頂面積出現(xiàn)明顯差異。機頭區(qū)域因受弧形三角板保護及采空區(qū)充填較實的影響，頂板較為穩(wěn)定。隨著工作面推進，當采場中部頂板運動時，由于其正下方支護能力弱，而機尾處又因推進速度快，頂板活動范圍大，難以形成有效支撐，又因覆巖采動影響范圍內(nèi)存在一層較厚的頂板可起到側(cè)向傳遞力的作用，從而導(dǎo)致采動空間較小處機頭區(qū)的頂板壓力比采動空間較大處的頂板壓力明顯增大，促使該處頂板活動加劇，支架載荷增加，如圖6所示。

圖6 采場頂板壓力轉(zhuǎn)移作用示意Fig.6 Schematic of pressure transfer of whole stope roof

如圖6所示，由于采場上方一定范圍內(nèi)存在強度較大的基本頂，當采場下部已采空間分布不均勻時，中、上部頂板的礦壓作用可通過基本頂向機頭區(qū)轉(zhuǎn)移，引起機頭區(qū)載荷的集中。

2）三角弧形頂板壓力分布特征。隨著工作面的不斷推進，當可傳遞礦壓作用的基本頂發(fā)生破斷后，各巖塊之間已經(jīng)不能構(gòu)成一個整體，其傳遞力的作用變?nèi)?，因此由采場中、上部向下部的礦壓轉(zhuǎn)移效應(yīng)開始減緩，此時沿工作面傾向的采場全范圍頂板模型如圖7所示。

圖7 三角弧形頂板壓力轉(zhuǎn)移作用示意Fig.7 Schematic of pressure transfer of triangle roof plate with curve side

如圖7可知，機頭區(qū)上方基本頂形成弧三角懸板結(jié)構(gòu)。隨著轉(zhuǎn)采步距的增加，距離旋轉(zhuǎn)中心，即機頭區(qū)越近，推進速度就越小，懸板面積就越小；反之，距離機頭區(qū)越遠，推進速度越快，懸板面積就越大。因此，盡管采場上方基本頂斷裂后，已無法繼續(xù)向機頭區(qū)傳遞中、上部的礦壓作用，但在弧三角形板的影響范圍內(nèi)，沿工作面傾向，各處的懸頂面積仍然有較大差別，故懸頂面積大的區(qū)域仍可向機頭區(qū)傳遞礦壓作用，引起該處的頂板載荷集中。

3 旋轉(zhuǎn)工作面礦壓顯現(xiàn)特征數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

以301工作面的實際開采條件建立模型，長（X方向）為300 m，寬（Y方向）為280 m，高（Z方向）為73.8 m，沿垂直高度方向分為9層，其力學參數(shù)見表2。模型上部邊界按其采深深度230 m施加載荷，工作面長度230 m，沿X方向開挖。為消除邊界效應(yīng)的影響，更加真實地模擬工作面的實際開挖情況，工作面從20 m位置開始開挖直至280 m結(jié)束，其中前90 m為正常回采階段，頂煤放出率按75%計算，從90 m位置開始進入轉(zhuǎn)采區(qū)，開始不放煤，回采厚度為3.5 m，機頭機尾按照比例1∶11開挖，運輸巷依次推進3、6、9、12、15 m，整個轉(zhuǎn)采期間機頭推進15 m，機尾推進165 m。運輸巷和回風巷按照寬5 m、高4.5 m的尺寸開挖。工作面正常和轉(zhuǎn)采階段的開挖模型如圖8所示。

圖8 不同階段工作面開挖示意Fig.8 Model graph of working face in different mining stages

表2 各巖層力學參數(shù)

續(xù)表

3.2 轉(zhuǎn)采階段頂板壓力分析

工作面正常推進60 m和90 m，以及運輸巷依次推進3、6、9、12、15 m時的工作面垂直應(yīng)力變化情況分別如圖9和圖10所示。

圖9 正常推進階段采場壓力分布Fig.9 Vertical stress in normal mining stages

圖10 轉(zhuǎn)采階段采場壓力分布Fig.10 Vertical stress in rotating mining stages

現(xiàn)統(tǒng)計正常推進和轉(zhuǎn)采階段的采場頂板壓力顯現(xiàn)特征值見表3，并據(jù)此繪制沿工作面推進方向的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律變化折線，如圖11所示。

表3 采場礦壓顯現(xiàn)特征值

由圖9—圖11分析可知：

1）工作面未進入轉(zhuǎn)采區(qū)前，由于兩側(cè)均為實體煤，開采邊界條件相同，因而采場頂板的礦壓顯現(xiàn)及側(cè)向支承壓力分布表現(xiàn)出典型的對稱性，中部壓力大，兩端頭壓力較小，端頭上、下端頭應(yīng)力集中區(qū)為0。

圖11 轉(zhuǎn)采階段機頭區(qū)應(yīng)力集中作用變化規(guī)律Fig.11 Law of stress concentration change in underneath expert during revolving mining

2）當進入轉(zhuǎn)采階段，運輸巷推進步距為3 m時，采場的礦山壓力作用開始呈現(xiàn)不對稱分布。沿工作面傾向，從機尾到機頭上方頂板壓力逐漸增大，整個采場的頂板壓力開始表現(xiàn)出向運輸巷端部傳遞的趨勢，但由于轉(zhuǎn)采步距較小，采場各處的回采空間差距還不明顯，此時應(yīng)力集中作用尚不明顯。機頭區(qū)垂直應(yīng)力3～5 MPa，最大值為7 MPa，集中區(qū)范圍為2 m，與機尾基本相同，但分布范圍略大。

3）隨著轉(zhuǎn)采推進步距的增加，機頭區(qū)上方應(yīng)力集中現(xiàn)象越來越明顯，集中區(qū)范圍、應(yīng)力峰值及集中系數(shù)逐漸增大。同時，由于頂煤及部分直接頂?shù)氖芰σ堰_到強度極限而發(fā)生破壞，導(dǎo)致應(yīng)力集中區(qū)開始向上方轉(zhuǎn)移，最終穩(wěn)定在采場上方約17 m的位置。

4）當轉(zhuǎn)采步距為15 m時，回風巷推進至165 m時，機頭上方的應(yīng)力集中現(xiàn)象達到最大，應(yīng)力集中區(qū)范圍超過30 m，應(yīng)力達19 MPa。根據(jù)模型所確定的煤層實際埋深計算，原巖應(yīng)力為5.8 MPa，則此時應(yīng)力集中系數(shù)已超過3。按照應(yīng)力集中的相關(guān)標準[20-21]，此時機頭區(qū)屬于“非常集中”，因此在實際開采中，需格外加強機頭區(qū)的支護工作。

5）在應(yīng)力集中區(qū)外，對工作面傾向的頂板壓力進行分析可知，整個轉(zhuǎn)采階段，距離旋轉(zhuǎn)端，即機頭位置，越近頂板壓力越大；距離機頭區(qū)越遠，頂板壓力越小，且隨著機頭區(qū)應(yīng)力集中的加劇，該現(xiàn)象愈加明顯。機尾區(qū)應(yīng)力范圍穩(wěn)定在2～5 MPa，低于原巖應(yīng)力水平，說明自進入轉(zhuǎn)采階段就一直處于應(yīng)力降低區(qū)。

4 轉(zhuǎn)采區(qū)礦壓顯現(xiàn)特征實測分析

為便于研究采場頂板的運動規(guī)律，在301工作面布置了12條測線，分別為機頭區(qū)（5、10、15號），機頭鄰區(qū)（30、46、62號），機尾鄰區(qū)（70、82、90號），機尾區(qū)（110、115、125號）4個部分。統(tǒng)計了轉(zhuǎn)采起始線以里約220 m處開始，直至工作面轉(zhuǎn)采結(jié)束全范圍內(nèi)的支架工作阻力數(shù)據(jù)，其中機頭（運輸平巷）推進652～890.4 m，機尾（回風平巷）推進652～1 073.6 m，共折合276～519個割煤循環(huán)。由于轉(zhuǎn)采期間割煤特點，各測線處推進度不盡相同，按照實際割煤循環(huán)劃分來壓步距分析頂板運動情況，現(xiàn)統(tǒng)計各測線處頂板運動特征見表4，各測區(qū)代表性測線整架循環(huán)末阻力和初撐力變化曲線如圖12所示。

表4 工作面不同階段來壓特征值

由表4及圖12分析可知：

1）正?；夭呻A段，沿301工作面長方向各測線處礦壓顯現(xiàn)強度不同，各處來壓位置也不一致。大致表現(xiàn)為，機頭和機尾區(qū)頂板活動較弱，支架工作阻力變化穩(wěn)定，頂板來壓的周期性不顯著，步距大但顯現(xiàn)強度?。粰C頭鄰區(qū)和機尾鄰區(qū)處于工作面中部，頂板活動劇烈，壓力變化大，來壓的周期性特征顯著，步距小但顯現(xiàn)強度大。距設(shè)計轉(zhuǎn)采位置77～120 m，存在一條全長空巷和一條半長空巷，受此影響，各測線推進至空巷時，支架工作阻力均有不同程度地上升。

2）進入轉(zhuǎn)采階段，各測區(qū)的頂板壓力分布特征與正?；夭善陂g均有顯著差異。①沿工作面傾向來看，整個采場各測點的支架工作阻力表現(xiàn)出如下規(guī)律：距機頭區(qū)越近，支架工作阻力越大。距機頭區(qū)越遠，支架工作阻力就越小，沿工作面傾向各處頂板來壓強度明顯呈不對稱分布。②機頭區(qū)支架工作阻力相比轉(zhuǎn)采前顯著增大。以機頭區(qū)5號和10號測線為例，轉(zhuǎn)采階段2條測線來壓時的均值阻力均超過12 000 kN，相比正常推進階段分別增大了102%和68%，非來壓期間的均值阻力也分別增大了41.3%和

33.9%，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。針對機頭區(qū)5號和10號測線的來壓特點來看，沒有表現(xiàn)出周期性特征，而是先增加，后降低，最后趨于穩(wěn)定，但沿推進方向卻出現(xiàn)了2個峰值。分析認為，轉(zhuǎn)采初期由于頂煤與直接頂之間冒落的矸石并未壓實，導(dǎo)致集中的載荷并不能及時全部傳遞到采場支架上，因此支架工作阻力增長緩慢；隨著頂煤上方的三角弧懸頂開始發(fā)生破斷，機頭區(qū)迎來第一次峰值。由于機頭上方頂煤與頂板充分壓實，礦壓傳遞作用及推進速度對支架工作阻力的影響逐漸發(fā)揮出來，導(dǎo)致機頭區(qū)支架工作阻力再一次升高。③機頭鄰區(qū)各測線位置來壓周期性明顯，同正?；夭呻A段相比均值阻力整體呈下降趨勢，但來壓步距變大。30號測線由于距機頭區(qū)較近，一定程度上受壓力傳遞作用的影響而承擔了部分傳遞的壓力，頂板壓力共經(jīng)歷了2次周期性變化，來壓時均值強度相比正常回采階段增大了2.3%，略大于正?；夭呻A段。62號測線距機頭區(qū)較遠，其頂板壓力部分轉(zhuǎn)移至機頭區(qū)，導(dǎo)致頂板運動減緩，來壓時和來壓前的均值阻力分別下降8.3%和8.1%。④機尾鄰區(qū)支架工作阻力變化與機頭鄰區(qū)相似，其來壓前及來壓期間均值阻力小于正常回采期間。以70號和90號為例，進入轉(zhuǎn)采區(qū)后，2個測點均經(jīng)歷了數(shù)次周期來壓。相比正常推進階段，穩(wěn)定階段均值阻力分別下降7.8%和4.1%，來壓時均值阻力分別下降11%和8.9%，來壓步距變大。⑤機尾區(qū)由于處在非旋轉(zhuǎn)中心的最外側(cè)，在轉(zhuǎn)采期間短刀斜切數(shù)量最多，推進速度最快，來壓步距較大，故其采場支架工作阻力受推進速度的影響，變化較大。以110號和125號測線為例，正?；夭呻A段來壓前均值阻力分別為6 261 kN和5 251 kN，來壓時均值阻力分別為11 259 kN和6 529 kN；進入轉(zhuǎn)采后，來壓前均值阻力分別下降7.2%和6.2%，來壓時均值阻力分別下降13.7%和10.1%，則旋轉(zhuǎn)開采對來壓期間的工作阻力影響較非來壓期間更加明顯。

綜上分析，受轉(zhuǎn)采影響，各測區(qū)支架工作阻力均出現(xiàn)不同程度的變化，特別是機頭區(qū)應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，而機頭區(qū)以外支架工作阻力出現(xiàn)了一定程度的降低。機頭區(qū)支架工作阻力增大的主要原因是受采場基本頂和機頭區(qū)上方三角弧懸頂結(jié)構(gòu)的影響，轉(zhuǎn)采期間沿工作面傾向一定范圍內(nèi)，總能出現(xiàn)回采空間或懸頂面積的差異，共同導(dǎo)致機尾和采場中部的礦山壓力向機頭區(qū)傳遞，引起該處基本頂載荷的增加。如圖5所示，此時機頭區(qū)頂煤因受轉(zhuǎn)采期間割煤方法的影響形成了一種既可以向采場支架充分傳遞覆巖的頂板運動作用，又因煤體自身強度所限，在支架上部提前開裂，從而不使該作用力向工作面前方傳遞的結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致機頭區(qū)支架工作阻力增加。另外，對于采場中下部區(qū)域來說，其推進速度與正?；夭苫鞠嗤?，而且?guī)r梁周期斷裂步距相對正常回采期間增大，但其采場支架工作阻力反而出現(xiàn)了一定程度的減小，說明推進速度對采場支承壓力的影響作用較小，故可證明上覆巖層基本頂沿傾向方向的壓力傳遞作用，特別是機頭區(qū)弧三角懸板結(jié)構(gòu)沿傾向方向的壓力傳遞作用是造成機頭區(qū)應(yīng)力集中的最主要因素。

5 結(jié) 語

1）長春興煤礦301綜放工作面在旋轉(zhuǎn)過程中，由于機頭推進速度遠大于機尾，導(dǎo)致同一時期內(nèi)沿工作面走向和傾向上各處的回采空間體積及采動影響范圍差別較大。

2）在機頭區(qū)的三角弧形頂板影響范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)采步距的增加，距旋轉(zhuǎn)中心越遠的區(qū)域，弧形板懸頂面積就越大。

3）結(jié)合以上兩種因素，再加上覆巖采動影響范圍內(nèi)存在一層較厚的頂板可起到側(cè)向傳遞力的作用，這3個條件共同作用的結(jié)果是采動空間較小處機頭區(qū)的頂板壓力比采動空間較大處的頂板壓力明顯增大，引起機頭區(qū)的應(yīng)力集中。