特厚煤層旋轉(zhuǎn)工作面開采設(shè)計及分段來壓規(guī)律實測分析

郭傳清，程傳超，張連伍，張建強

（兗礦能源有限公司濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272000）

0 引 言

煤炭作為一種不可再生資源，合理開發(fā)利用煤炭資源具有重要的意義[1，2]。目前，由于地質(zhì)條件、采煤方式和生產(chǎn)設(shè)計等因素的影響，使得礦井的采區(qū)或者工作面的劃分并不規(guī)整，導(dǎo)致遺留眾多的不規(guī)則煤柱[3，4]。為了回采遺留煤柱或邊界三角煤，提高煤炭資源的回采率，越來越多的礦井開始采用轉(zhuǎn)采工作面進行開采[5-7]。由于旋轉(zhuǎn)開采期間頂板的特殊運動特征，使得工作面開采過程中的礦壓規(guī)律明顯區(qū)別于一般生產(chǎn)工作面。為此，眾多學(xué)者開始重點研究轉(zhuǎn)采期間的礦壓規(guī)律，進而指導(dǎo)類似工作面的生產(chǎn)[8-9]。蒲志強等[10]研究了旋轉(zhuǎn)調(diào)斜推進過程中巷道圍巖運動情況。董海寧等[11]通過數(shù)值模擬分析了工作面旋轉(zhuǎn)開采前、中、后的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。李亮等[12]通過數(shù)值分析和現(xiàn)場觀測的方式分析了綜放工作面礦壓顯現(xiàn)特征。楊曉東等[13]研究了不規(guī)則工作面開采技術(shù)方案及礦壓規(guī)律，發(fā)現(xiàn)調(diào)斜過程中應(yīng)力、位移及塑性區(qū)存在著不對稱分布的現(xiàn)象。

兗礦能源集團濟寧二號煤礦103下03綜放工作面，工作面初采階段臨近八里鋪斷層，若按照正常設(shè)計工作面回采，會滯留部分三角煤無法采出，造成資源的浪費，參考國內(nèi)外開采經(jīng)驗并結(jié)合礦方的采礦地質(zhì)條件，決定將103下03綜放工作面設(shè)計成旋轉(zhuǎn)工作面，并對現(xiàn)場的分段來壓規(guī)律進行了分析。現(xiàn)場工程實踐表明，103下03工作面轉(zhuǎn)采方案取得成功，增加了工作面的服務(wù)年限，提高了煤炭的采出率。

1 工程概況

103下03工作面位于十采區(qū)中北部，東側(cè)為八里鋪斷層，西側(cè)的十采區(qū)膠帶輸送機巷和十采區(qū)進風(fēng)巷，南距103下01工作面約867 m，北側(cè)為設(shè)計的103下04工作面，如圖1所示。煤層位于十采區(qū)3煤合并區(qū)范圍內(nèi)，該煤層起伏變化較大，西部較平緩，東部相對傾角較大，整體趨勢為西部高，東部低，煤層傾角2°～8°，平均5°，煤厚8.24～9.57 m，平均9.1 m。103下03工作面直接頂為粉砂巖，厚度0～6.47 m，平均厚度2.16 m，灰色，局部夾有菱鐵質(zhì)薄層或透鏡體，緩波狀斜層理；f=3～7。基本頂為中砂巖，厚度12.25～14.7 m，平均厚度13.48 m，灰白色，成分以石英、長石為主，含大量暗色礦物，裂隙發(fā)育，薄層狀單斜層理發(fā)育；f=6.0～13.0，工作面頂?shù)装鍘r性見表1所列。

圖1 103下03旋轉(zhuǎn)工作面

表1 工作面頂?shù)装迩闆r

103下03工作面設(shè)計走向長度578.5～663.9 m，傾向長度229.6 m，設(shè)計采厚3.5 m，采放比1∶2.5，工作面設(shè)計為一進一回兩巷，沿煤層底板布置。選用MG750/1860-WD型電牽引采煤機，采高為2.1～4.8 m；綜放工作面前后均需布置刮板輸送機，選用SGZ1000/2000型中雙鏈刮板輸送機作為前部輸送機，輸送能力2 500 t/h，允許彎曲角度為3°，SGZ1000/1710H型中雙鏈刮板輸送機作為后部輸送機，輸送能力2 500 t/h，允許彎曲角度為2°。轉(zhuǎn)載機型號：SZZ1200/700，輸送能力2 600 t/h；工作面支架型號：ZF12000/18.5/35，額定工作阻力為12 000 kN，額定支護強度為1.45～1.47 MPa，支護高度為1.85～3.5 m。

2 合理旋轉(zhuǎn)開采方案設(shè)計

2.1 旋轉(zhuǎn)方式及旋轉(zhuǎn)中心的確定

旋轉(zhuǎn)式采煤是指綜采工作面邊采煤邊旋轉(zhuǎn)一定角度的一種采煤工藝，可分為2種類型：一是實心旋轉(zhuǎn)式開采，即固定其一端，另一端根據(jù)提前設(shè)計好的旋轉(zhuǎn)角度進行開采；另一種是虛心旋轉(zhuǎn)式，即將調(diào)采旋轉(zhuǎn)中心由工作面機頭轉(zhuǎn)移到工作面以外。2種旋轉(zhuǎn)方式如圖1所示。

為對比分析2種開采方式的優(yōu)缺點，進而確定合理的旋轉(zhuǎn)方式，從施工難易度、旋轉(zhuǎn)范圍和圍巖的穩(wěn)定控制等3個角度進行對比分析。針對實心旋轉(zhuǎn)式開采，①施工難易度方面：操作技術(shù)簡單，工作面能夠較快調(diào)向、工期短；②旋轉(zhuǎn)范圍：較虛心旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑較小，表明其旋轉(zhuǎn)范圍小；③圍巖穩(wěn)定控制：機頭處支架對頂板反復(fù)支撐、卸載，容易導(dǎo)致機頭附近及超前巷道頂板破碎。針對虛心旋轉(zhuǎn)式開采，①施工難易度：操作工藝復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)工藝參數(shù)確定較為困難；②旋轉(zhuǎn)范圍：有相對較大的旋轉(zhuǎn)范圍；③圍巖穩(wěn)定控制：減小了反復(fù)頂板支護的工作，對于頂板條件較差的環(huán)境有較好的適應(yīng)性。

圖2 2種旋轉(zhuǎn)開采方式

綜上所述，103下03工作面兩側(cè)為大范圍的實體煤，預(yù)計運輸順槽圍巖變形較小，可以較為容易的實現(xiàn)巷道圍巖的維護，同時采用實心旋轉(zhuǎn)，能較快的實現(xiàn)調(diào)斜工作，可減少一部分隱患。因此，選擇實心旋轉(zhuǎn)方案，即旋轉(zhuǎn)中心位于工作面之內(nèi)。

2.2 調(diào)采參數(shù)的估算

2.2.1 調(diào)采循環(huán)數(shù)

每循環(huán)旋轉(zhuǎn)角度是旋轉(zhuǎn)采煤工藝中重要參數(shù)，指的是工作面采用短刀與長刀配合開采，使得整個工作面轉(zhuǎn)過的角度；因此，每個循環(huán)的轉(zhuǎn)角必須滿足小于等于刮板輸送機最大水平彎曲度的要求。工作面運輸機允許彎曲角度2°，即經(jīng)過一個循環(huán)，工作面旋轉(zhuǎn)2°。已知總循環(huán)角度為23°，可得工作面經(jīng)過約12個調(diào)采循環(huán)可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)23°的目標(biāo)。

2.2.2 循環(huán)刀數(shù)

旋轉(zhuǎn)開采采用長刀與短刀相結(jié)合的開采方式，在短刀割煤后必然會與長刀切割線相交產(chǎn)生拐點，根據(jù)要求其彎曲角度要與通刀后的角度相同。單個調(diào)采循環(huán)內(nèi)割煤刀數(shù)就越多，短刀斜切引起的刮板輸送機彎曲角度越大，可能會對刮板輸送機造成損壞，但工作面推進速度快。反之，割煤刀數(shù)越少，推進速度慢，短刀斜切造成的刮板輸送機彎曲角度小。循環(huán)內(nèi)割煤刀數(shù)可按式（1）計算：

式中：m為循環(huán)內(nèi)割煤刀數(shù)，個；a為單個調(diào)采循環(huán)轉(zhuǎn)過的角度，2°；B為采煤機截深，0.8 m；L為工作面長度，230 m；

求得m為11。其現(xiàn)實意義為：在一個調(diào)采循環(huán)內(nèi)，最多需要割煤11刀，就使工作面旋轉(zhuǎn)2°。

2.3 循環(huán)進刀方式

根據(jù)上節(jié)計算結(jié)果，選用短刀斜切，先零后整的方法，確定103下03工作面每個大循環(huán)的循環(huán)刀數(shù)為11刀，意味著每次割煤就有一段工作面旋轉(zhuǎn)約2°，直至全部工作面旋轉(zhuǎn)2°。第一個循環(huán)內(nèi)短刀按照以下順序依次進行：12、24、36、48、60、72、84、96、108、120號支架，共完成10個短刀，第11次割通刀至刮板輸送機機頭。每個大循環(huán)進刀示意圖如圖3所示；轉(zhuǎn)采現(xiàn)場如圖4所示。

圖3 每個大循環(huán)進刀圖

圖4 轉(zhuǎn)采工作面現(xiàn)場圖

3 旋轉(zhuǎn)工作面分段來壓規(guī)律

103下03工作面采用旋轉(zhuǎn)工作面進行開采設(shè)計，輔運順槽側(cè)回采煤體明顯多于運輸順槽側(cè)，這會導(dǎo)致工作面的直接頂和基本頂?shù)倪\動規(guī)律明顯區(qū)別于正常工作面。本節(jié)基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對103下03工作面分段來壓規(guī)律進行闡述；為區(qū)分不同推采階段的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，將工作面劃分為Ⅰ段和Ⅱ段，如圖3所示。

3.1 直接頂垮落規(guī)律

工作面自2021年9月22日開始調(diào)試生產(chǎn)，截止到9月30日，輔運順槽側(cè)推進25.85 m，運順進尺0 m，采空區(qū)101號架向輔順方向頂煤出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，此時工作面平均推進距離為13 m。截至到10月5日，輔運順槽側(cè)推進42.85 m，運順進尺0 m，采空區(qū)70號架向輔順方向直接頂基本垮落，103下03工作面直接頂初垮結(jié)束，此時工作面平均推進21.5 m，表明直接頂垮落步距為21.5 m。同時，工作面的微震事件也表現(xiàn)出明顯的采動效應(yīng)，在直接頂垮落階段微震信號呈現(xiàn)先升高-后降低的變化趨勢，其變化時間與直接頂運動時間吻合較好，如圖5所示。

圖5 工作面初采階段微震活動規(guī)律

3.2 工作面Ⅰ段基本頂初次來壓規(guī)律

旋轉(zhuǎn)開采期間主要監(jiān)測了工作面3個位置的支架阻力情況，分別為刮板輸送機機頭處的10號支架、工作面中部的70號支架和機尾處的152號支架。監(jiān)測的支架阻力情況如圖6所示。

由圖6可知，10月12日夜班開始，工作面中部的70號支架和機尾處的140號支架開始明顯增阻，且現(xiàn)場110～140號支架附近出現(xiàn)50～100 mm片幫，現(xiàn)場頂板有斷裂聲響。10月13日中班，工作面支架持續(xù)增阻，140號支架壓力達到回采以來的最大值42 MPa。10月14日早班，支架工作阻力無增阻現(xiàn)象。結(jié)合以上數(shù)據(jù)，說明頂板完成了一次斷裂、失穩(wěn)、沉降運動過程，基本頂在采空區(qū)觸矸而得到支撐，頂板壓力高峰由工作面向煤壁深處轉(zhuǎn)移，工作面I段頂板初次來壓結(jié)束。

工作面I段頂板初次來壓結(jié)束時，工作面輔順推進73.9 m，工作面中部進尺推進36.95 m，平均進尺55.5 m，即基本頂初次來壓步距為55.5 m。且采空區(qū)直接頂垮落較充分，I段初次來壓比較緩和，礦壓顯現(xiàn)不明顯，圍巖變形較小，工作面I段初次來壓動載系數(shù)為1.1。

圖6 支架工作阻力圖

3.3 工作面II段基本頂來壓規(guī)律

圖7給出了工作面繼續(xù)推進期間的支架工作阻力。10月27日8點，支架54～58號，74～84號，95～101號，普遍片幫，片幫深度200～400 mm；從電腦圓圖儀記錄的支架壓力曲線上看，工作面支架阻力增阻明顯，工作面持續(xù)增阻，現(xiàn)場頂板有斷裂聲響。10月29日中班，工作面達到回采以來的壓力最大峰值38 MPa。10月29日夜班，支架工作阻力無增阻現(xiàn)象。結(jié)合以上各種礦壓顯現(xiàn)和數(shù)據(jù)，說明頂板完成了一次斷裂、失穩(wěn)、沉降運動過程，基本頂在采空區(qū)觸矸而得到支撐，頂板壓力高峰由工作面向煤壁深處轉(zhuǎn)移，工作面II段頂板來壓結(jié)束。

工作面II段頂板來壓結(jié)束時，輔順推進126 m，膠順進尺推進8 m，平均進尺35.5 m，表明II段基本頂運動的步距為35.5 m。由于采空區(qū)分段垮落，II段初次來壓比較緩和，礦壓顯現(xiàn)不明顯，圍巖變形較小，II段初次來壓動載系數(shù)為1.05。

圖7 支架工作阻力圖

3.4 周期來壓規(guī)律

11月6日工作面輔順推進145.7 m，膠順推進32 m，平均進尺88 m。支架工作阻力增阻明顯，支架39～97號、68～103號、115～136號普遍片幫，片深200～400 mm；支架循環(huán)末阻力峰值39 MPa，來壓動載系數(shù)為1.13，說明工作面頂板正在做劇烈運動。直到11月7日工作面輔順推進145.7 m，膠順推進35.5 m，平均進尺90.6 m。支架工作阻力無增阻現(xiàn)象；結(jié)合以上各種礦壓顯現(xiàn)和數(shù)據(jù)，說明頂板完成了一次斷裂、失穩(wěn)、沉降運動過程，表明第一次周期來壓結(jié)束，來壓步距23 m。

截止2022年3月3日103下03工作面已經(jīng)歷17次分段周期來壓，詳見表2。

表2 103下03周壓步距及見方數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 結(jié)論

1）轉(zhuǎn)采階段采用實心旋轉(zhuǎn)方式，轉(zhuǎn)采巷道為弧線型，經(jīng)過1個調(diào)采循環(huán)，工作面轉(zhuǎn)過2°，整個轉(zhuǎn)采期間共需要12個調(diào)采循環(huán)。每個循環(huán)內(nèi)機頭、機尾按照1∶11推進，進刀位置分別為12、24、36、48、60、72、84、96、108、120號支架，共計10個進刀點，旋轉(zhuǎn)角度為2°。

2）將103下03工作面劃分為初采Ⅰ段和正常回采Ⅱ段，其中旋轉(zhuǎn)開采中心位于膠運順槽一側(cè)；直接頂初垮結(jié)束時，輔運順槽側(cè)推進42.85 m，膠運順槽進尺0 m，表明直接頂垮落步距為21.5 m。I段頂板初次來壓結(jié)束時，輔順推進73.9 m，工作面中部進尺推進36.95 m，即基本頂初次來壓步距為55.5 m。

3）工作面II段頂板來壓結(jié)束時，工作面輔順推進126 m，膠順進尺推進8 m，平均進尺35.5 m，表明II段基本頂運動的步距為35.5 m。第一次周期來壓結(jié)束時，工作面輔順推進145.7 m，膠順推進35.5 m，平均進尺90.6 m，表明第一次周期來壓步距23 m。