綜放工作面旋轉開采關鍵技術應用

蘇相賓

（中煤集團山西華昱能源有限公司 南陽坡煤業，山西 朔州 036000）

0 引 言

我國煤炭資源賦存地質條件較為復雜，煤層常伴隨有斷層、褶曲等地質構造，人為劃分工作面推進范圍均導致開采中遺留下來大量煤柱。綜放工作面設計時要考慮工作面在時間和空間上的高效、連續，實現煤炭回收率和效益的最大化，對于這類煤層通常在工作面開采工藝、巷道布置以及設備選型配套等方面與常規工作面開采相異[1-3]。

近年來，為避開特殊地質條件（如大斷層、褶曲、陷落柱等） 或回收邊角煤柱，技術人員對工作面旋轉開采技術進行了深入廣泛地研究，文獻[4-7]研究了旋轉開采回收三角煤過程中回采工藝、巷道布置、端頭設備搭接及頂板控制之間的相互配合，成功減少了邊角煤的浪費；文獻[8-9]基于旋轉開采理論在復雜地質條件礦井進行了現場工業性實驗，并著重加強巷道與工作面的礦壓觀測，成功實現工作面的接續開采；文獻[10-12]采用理論分析、數值模擬、現場工程實踐等手段研究了工作面與順槽旋轉開采過程中頂板運動與礦壓顯現，針對性提出頂板控制方案，保障了旋采面安全高效開采。

南陽坡26108 綜放面處于礦井西南邊界，面內有1 條落差為8~13 m 的走向斷層。若為避開斷層搬家倒面，則需重新開切眼，導致礦井生產出現斷檔，影響嚴重，且輔助工作量大，因此有必要采用工作面旋轉開采。

1 工作面概況

南陽坡煤礦位于山陰縣，礦井絕對瓦斯涌出量2.86 m3/min，礦井相對瓦斯涌出量0.5 m3/t，屬低瓦斯礦井。26108 工作面北側為26106 實體煤層，南側和西側為井田邊界，東側6 煤輔運大巷。工作面設計可采走向長度為905 m，工作面切眼長260 m。煤層在采區范圍內部發育完整，根據巷道兩順槽實際揭露情況煤厚平均9 m。工作面位置如圖1 所示。

圖1 工作面布置示意Fig.1 Layout of working face

2 轉采實施方案

2.1 轉采方案設計

根據南陽坡煤礦26108 綜放工作面實際，確定采用虛心調斜方法，繪制運行模擬軌跡線。工作面刮板輸送機設計允許的彎曲角度2°~3°，工作面刮板輸送機最小彎曲長度l，當深為0.8 m 時l 為20 m。26108 工作面采長260 m，工作面最多可分為13 段調斜，即最大調斜比例為1∶13。因工作面長度較大，根據一般經驗采用1∶8 較為適中，比例較大時不易掌控。工作面采用1∶8 比例（機頭推進1 刀，機尾推進8 刀）。循環旋轉角β 計算公式為：

式中：n 為循環刀數；b 為采煤機截深，m；L 為工作面采長；計算的β=1.23°；旋轉期間機尾推進刀數（循環數量） N=INT（31.90°/1.23°） =25。

采用虛中心方式，按1∶8 比例計算，機尾推進刀數X=8N=200，推進度160 m；機尾總推進進刀數25 刀，推進度20 m，以該機尾和機頭推進刀數作為2 個同心圓的弧長，按照31.90°圓心角，可以換算出2 個圓的半徑分別為287.38 m、35.90 m，繪制出虛旋轉中心位置如圖2 所示。

圖2 虛旋轉中心位置示意Fig.2 Position indication of virtual rotation center

2.2 掘進前期準備工作

（1） 確定26108 運輸順槽拐彎位置，為便于轉載機剩余不可拆卸部分整體旋轉（21 m），將運輸順槽拐彎前后20 m 范圍刷大斷面，縮小錨桿/錨索間排距加強支護密度和強度，同時為后期刷擴創造條件。

（2） 26108 回風順槽掘進至受斷層影響范圍，煤層抬高到巷道頂板上方，考慮前方300 m 處為轉采拐點，為盡快找到煤層底板、減少煤炭損失、避開斷層破碎帶影響，設計采用8°快速通過斷層。

（3） 掘進至拐點20 m 前變換方位進行拐彎掘進，以每米為單位控制中線左右偏移量，拐彎段掘進時故意向工作面煤壁側偏移，同時刷大巷道斷面（斷面最大處寬為7.6 m），以確保工作面機尾旋轉開采時工作面等長，避免轉采期間延縮溜子支架或煤機無法割透煤壁的現象出現，如圖3 所示。

圖3 2 號拉繩變形監測儀數據曲線Fig.3 Data curve of No.2 rope drawing deformation monitor

圖3 26108 回風順槽轉彎段示意Fig.3 Schematic diagram of 26108 ventilation roadway turning point

（4） 順槽皮帶機頭固定長度為35 m，轉載機最短長度為21 m，故待工作面機頭推進至距離運輸順槽拐彎點56 m 位置時，將順槽第二部皮帶機頭及皮帶全部拆除升井，將二部皮帶自移機尾、轉載機、破碎機等設備拆除并安裝到1 部皮帶機尾，新增1 部改造的轉載機（56 m 長），將第一部皮帶機尾及轉載機往工作面采空區方向延伸并將轉載機及皮帶機尾調斜，靠近巷道煤柱幫，以便工作面設備搭接。隨著工作面向前推采，及時拆除轉載機中間溜槽，直至不可拆卸位置（不可拆除長度為21 m），最后將剩余的21 m 轉載機全部拆除。

2.3 回采工藝

由于旋轉中心靠近工作面機頭，故在機頭回采到距順槽拐彎點21 m、機尾回采到距順槽拐彎點146 m 時開始調整機頭機尾進刀次數，考慮到刮板輸送機溜槽最大變化角度為±3°，經計算確定該旋轉方案刮板輸送機變化角度為1.23°，即按照機頭∶機尾=1∶8 的進刀比例推采。從機尾向機頭方向單向割煤，割煤順序為采煤機從機尾向機頭方向割40 m（175～149 號支架） —退回機尾割70 m（175～129 號支架） —退回機尾割100 m（175～109 號支架） —退回機尾割130 m（175～89 號支架） —退回機尾割160 m（175～69 號支架） —退回機尾割190 m（175～49 號支架） —退回機尾割220 m（175 ～29 號支架） —退回機尾割260 m（175～1 號支架）。如此往復，直至工作面設備垂直于兩順槽，轉采結束，采煤機進刀與運行軌跡如圖4 所示。

圖4 采煤機進刀與運行軌跡Fig.4 The feed and running track of shearer

3 過程控制

3.1 轉采前過程控制

為盡可能使工作面正常向前推采，減少轉采時間，需提前對轉采前的設備進行改造更換。

（1） 根據拐彎生產需要，運輸順槽原有系統推采到距離拐點120 m（轉載機長50 m、順槽皮帶機頭段長65 m、自移機尾機頭距卷帶機5 m） 時將受設備限制，無法繼續向前推進，此時進行出煤系統第一次改造（改造順槽二部皮帶），拆除二部皮帶卷帶機及其液壓控制系統、夾帶裝置、張緊絞車等機構，把張緊換向滾筒組前移至距儲帶倉固定換向滾筒組6 m 的位置，改用20T 回柱絞車牽引滑輪組暫時替代皮帶張緊裝置，該改造方案可以有效保障工作面兩天的正常回采量，儲帶滿后再進行皮帶回收，依次正常循環生產直至第二次皮帶改造。

（2） 當皮帶自移機尾回采推進至距張緊換向滾筒組12 m 時，拆除剩余段儲帶倉，在緊貼驅動滾筒的后方安裝一個簡易拖帶滾筒和壓帶滾筒，此時整個皮帶已壓縮到了極限位置，工作面再次推進12 m 后拆除整個皮帶，同時分別在原二部皮帶順槽安裝1 部改造后的轉載機（79 m 長）、在1 部皮帶機尾安裝1 部新轉載機（49 m 長） 搭接后進行原煤運輸。

3.2 轉采中過程控制

3.2.1 運輸順槽設備過程控制

（1） 改造后的轉載機每天根據工作面推進度可拆除對應長度的溜槽，為了避免工作面下隅角頂板隨采隨落而影響轉載機機尾拉移及回撤，在距轉載機機尾1~1.5 m 處及時支設井字形木垛，直至轉采結束。

（2） 溜槽拆除工作直至不可拆卸處（剩余21 m），此時轉載機進行整體前移和旋轉，利用單體將轉載機強制進行整體旋轉，由于運輸順槽拐彎前后15 m 巷道已提前刷寬，所以設備整體旋轉不受空間限制，工作面前部刮板機與轉載機搭接困難時可將前部刮板機機頭與轉載機之間加裝了過度滑板，保證了煤流能夠正常輸送到轉載機，避免了刮板機帶回頭煤的現象發生。

（3） 整體旋轉直至剩余角度小于5°時，拆除改造的轉載機，并將1 部皮帶轉載機及其配套設備倒退至工作面后部刮板機處，恢復綜放工作面正常運煤系統狀態，至此工作面旋轉結束。

（4） 當轉采末期工作面運輸順槽設備完成31.90°的旋轉后，開始進行順槽一部皮帶機尾側轉載機與工作面設備的搭接，此時將端頭支架進行左右兩半拆解，采用單體及絞車將端頭支架分步拉移，直到順槽一部皮帶機尾轉載機機尾處，并進行安裝對接，將原轉載機剩余部分拆除，通過原26106 運輸順槽升井，此時轉采基本結束，剩余工作為工作面設備調正及設備搭接調整。

3.2.2 工作面設備控制

（1） 因機尾較機頭方向標高高出10 m 左右，且旋轉中心位于機頭附近，為預防工作面設備上竄下滑，要根據設備搭接情況實時調整移溜方向，已保證設備搭接合理。

（2） 由于機尾方向推進度較機頭方向推進度大，如果按照之前正常回采時的方式拉移后溜，必將導致設備擠壓、旋轉不到位等現象發生，于是改變拉移方式，由原來每架一組（2 根） 移后溜千斤頂工作改成每架機尾側拉后溜千斤頂工作，保證工作面轉采時后部刮板輸送機受力均勻。另外在拉架時還利用支架底座推拉油缸的作用，將支架后部向機尾側頂推，使支架調向，確保設備正常旋轉。

（3） 為預防因實際操作過程中機頭機尾不能按照既定的進刀比例割煤、或因支架溜子不能調直等原因引起的采煤機無法割透煤壁現象，在回風順槽準備了兩節溜槽，以備隨時加裝設備。

3.3 防止設備上竄下滑措施

（1） 旋轉回采期間，采煤機每割完一個拐點，從下往上利用支架側護板和單體液壓支柱將支架尾部上調，使支架與輸送機保持垂直，逐架進行。

（2） 及時調整支架，使支架與輸送機保持垂直，機尾附近支架中心線與刮板輸送機方向保持固定角度；嚴格控制并及時調整移輸送機的操作順序和推進量，以消除輸送機竄動時的反向分力。

（3） 移輸送機的推進量，不一定推靠到煤壁，而要兼顧輸送機整體彎曲度，保證每個循環過后，工作面保持平直。

（4） 由于輸送機以機頭為圓心不斷旋轉，而液壓支架在側護板的夾持下只能直線前移，使得液壓支架經常偏離與刮板輸送機垂直的位置，為此，除了機尾支架為防止刮板輸送機竄動而保持一定的偏角外，其余支架偏角過大時，均應及時調架，使之與輸送機保持垂直。

4 頂板控制

4.1 運輸順槽超前支護頂板管控

為保障旋轉順利進行，組織相關工程技術人員深入井下實測數據，量取拐點附近巷道斷面尺寸、記錄加強支護強度及范圍、查看設備拆除及旋轉狀態對兩隅角頂板管理以及對生產系統影響，以此為依據進行巷道支護的補強加固。

（1） 對26108 運輸順槽拐彎前后20 m 范圍支設單體棚加強支護并頂板兩肩窩采用錨索+W 鋼帶縱向布置加強支護，錨索向兩幫傾斜15°，錨索長度較原支護增加2 m，間距為0.8 m；同時在受斷層影響而圍巖破碎嚴重處注射馬麗散加固支護。

（2） 對附近巷道26106 運輸順槽機頭段（轉采期間設備拆除回撤通道），在原頂板錨索支護的基礎上增加錨索+W 鋼帶進行加強支護，錨索間排距根據現場情況確定，原則上靠近巷道煤柱幫在原錨索每兩排中間增加一排進行支護。

（3） 從26106 運輸順槽開口處至26108 工作面二部機頭檢修繞道四岔口之間，在頂板破碎嚴重處靠巷道南幫架設木垛；在26108 運輸順槽與26106 運輸順槽之間的2 條聯巷內各施工2 個木垛，木垛架設在聯巷開口6 m 以內（從26106 運輸順槽南幫起算）；同時對26108 回風順槽拐彎段巷道寬度超過5.2 m 的區域靠非回采側支設1 排單體，防止回采動壓影響巷道使用安全，支設布置示意圖如圖5 所示。

圖5 運輸順槽轉彎處木垛、單體柱布置示意Fig.5 Layout of wooden stack and single column at the turning point of transportation roadway

（4） 根據轉載機剩余不可拆除部分長度，通過計算機數據模擬旋轉過程，對26108 運輸順槽拐彎處北幫前后15 m 范圍刷幫，最大刷幫寬度為2 m（同時對拐彎點前后20 m 巷道北幫采用錨索+W鋼帶加強支護），以保證工作面旋轉時巷道斷面能夠滿足使用要求。

（5） 為加強頂板支護，當巷道寬度超過5.6 m時錨桿間距變為0.9 m，錨索間距變為1.6 m，并呈3—2—3 布置；當巷道寬度超過6 m 時錨桿間排距變為0.8 m×0.8 m，錨索間排距變為1.6 m×1.6 m，每排3 根配合W 鋼帶布置；在巷道寬度超過6 m以上不影響行人行車的區域打設液壓單體支柱配合方木對頂板進行加強支護。

4.2 工作面頂板管控

由于工作面機頭與機尾旋轉比例呈1∶8，故機頭相對機尾推進度基本保持靜止狀態，考慮工作面機頭段長期收動壓影響，頂板破碎，容易發生漏頂現象，應控制機頭至20 號支架范圍內頂煤的放出量，即適當放煤或不放煤，其他范圍內正常放煤。

4.3 回風順槽過程控制

當工作面回風順槽旋轉至大斷面范圍，上出口原液壓支架支護不能滿足安全需要時，將超前液壓支架（護巷架） 后退與工作面液壓支架并排，補充上出口液壓支架支護不足現象，并采用單體液壓支柱補足超前支護距離，確保了工作面安全旋轉。

5 結 論

（1） 確定了26108 綜放工作面旋轉開采方案、過程控制及頂板控制技術并成功實施，解決了工作面過斷層的工程難題。

（2） 工作面旋轉開采多回收煤炭資源約31 萬t，創收約6 000 萬元；與搬家倒面相比少掘1 條260 m 長的切眼，少一次工作面設備拆除與安裝費用，共計節約費用約900 萬元。

（3） 豐富了礦井面對斷層等特殊地質條件的管理和生產經驗，為礦井采用該技術回收井田邊角煤提供了工程經驗支撐，也對其他相似地質條件礦井采用工作面轉采技術提供參考。