綜采工作面大角度旋轉(zhuǎn)開采技術創(chuàng)新與研究

史之印 李海偉 張思鑫 孟 鑫

(兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司安源煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017200)

20世紀80年代初，綜采工作面旋轉(zhuǎn)式采煤法在我國一些礦區(qū)開始應用，近年來取得較大進展，提高了邊角煤開采回收率。根據(jù)國內(nèi)開采經(jīng)驗，綜采工作面旋轉(zhuǎn)開采角度在45°以下，開采的工藝難度較小，大于45°時，旋轉(zhuǎn)開采難度大。傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)開采大多數(shù)采用單向分段割煤方式，生產(chǎn)效率較低。安源煤礦二采區(qū)北鄰礦井邊界位置，4217工作面為二采區(qū)最后一個工作面，工作面特殊位置影響工作面正規(guī)布置，為了多回收煤炭資源，結(jié)合安源煤礦實際地質(zhì)條件，綜合國內(nèi)旋轉(zhuǎn)開采技術，創(chuàng)新應用旋轉(zhuǎn)回采技術，確定大角度旋轉(zhuǎn)開采巷道布置方案和對不規(guī)則塊段煤層連續(xù)開采工藝的綜合應用，工作面不等長布置，旋轉(zhuǎn)角度60°，旋轉(zhuǎn)弧長240 m，割煤方式采用雙向往返割煤，通過調(diào)整機頭、機尾進尺等措施，實現(xiàn)工作面旋轉(zhuǎn)開采。通過研究和成功的實踐應用，對拓寬綜采工藝的適用范圍，減少旋轉(zhuǎn)開采條件的局限性，發(fā)揮綜采潛力，提高礦井機械化開采水平、經(jīng)濟效益和煤炭采出率具有重要意義，同時，采用雙向割煤方式提高了生產(chǎn)效率，更有利于正常的生產(chǎn)組織管理，同時也為綜采工作面旋轉(zhuǎn)開采積累寶貴管理及操作經(jīng)驗。

1 工作面概況

安源煤礦4217工作面位于北翼二采區(qū)東部，工作面西側(cè)為4216工作面采空區(qū)；東側(cè)為礦井邊界；北側(cè)為礦井北邊界；南側(cè)為北翼二采區(qū)回風大巷；工作面北段靠近4214、4215、4216采空區(qū)。4217工作面開采Ⅳ-2煤層，煤層厚度為2.2～3.1 m，平均為2.8 m。該工作面煤層起伏變化不大，煤層傾角0°～2°，平均傾角1°。該工作面直接頂板為砂質(zhì)泥巖，厚度4.0～10.0 m，平均為8.0 m，灰色泥質(zhì)膠結(jié)，層狀結(jié)構，性脆，易破碎產(chǎn)生裂隙；老頂以中粒砂巖為主，厚度為9.0～19.2 m,平均為14.1 m,局部裂隙發(fā)育。該工作面地質(zhì)條件簡單，工作面走向長度1940 m，傾向長度112～239 m，開采分為3個階段，即規(guī)則開采階段、旋轉(zhuǎn)開采階段、邊采邊撤階段。工作面布置示意圖見圖1。

圖1 4217工作面布置示意圖

2 工程應用

2.1 巷道方案設計

(1)膠運巷。從二采區(qū)主運巷開門，向北施工約30 m后與二采區(qū)回風巷貫通；向北施工約1330 m后，按330°方位和150°方位施工，其中按330°方位施工至切眼位置，按150°方位施工至輔運巷位置。同時考慮工作面旋轉(zhuǎn)開采需要，在工作面一、二部膠帶之間施工中部運輸通道。

(2)輔運巷。首先自膠運巷向輔運巷施工橫貫，作為輔運巷掘進運煤通道，然后沿井田東邊界和南邊界施工至切眼位置，向南與北翼輔運巷貫通。然后距離輔運巷拐點145 m位置按半徑204 m弧線施工約240 m，通過聯(lián)絡巷與輔運巷聯(lián)通。

2.2 設備配套情況

采用走向長壁后退式采煤方法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板，配備有MG400/940-WD型采煤機落煤，ZY6400/17/35型液壓支架支護，工作面采用SGZ800/1050型刮板輸送機、SZZ800/250 轉(zhuǎn)載機和DSJ120/150/2×250膠帶輸送機運煤。

2.3 旋轉(zhuǎn)開采工藝

2.3.1 工作面調(diào)斜

當工作面溜頭推進至距拐點80 m位置(回采約556m)時，工作面開始溜尾調(diào)斜推采，溜頭與溜尾按1:2比例推進，溜頭推進距膠運巷拐點60 m位置，工作面調(diào)斜約9°，溜尾超前溜頭40 m,工作面長度由調(diào)斜前的239 m增大到241 m，增加2 m，工作面需延長2節(jié)溜槽，工作面溜尾側(cè)推進至縮面位置。

2.3.2 旋轉(zhuǎn)開采

工作面膠運巷距離拐點60 m時，縮撤面后進入旋轉(zhuǎn)開采階段。煤機采取雙向割煤，機頭、機尾先按照比例進行定線進尺，第一刀機頭定線200 mm，機尾定線800 mm，煤機自溜尾向溜頭截割；第二刀煤機自溜頭直接斜切進刀截割至機尾，即機頭定線為0 mm，機尾定線800 mm，依次重復上述2次進刀，第七刀通過增加機頭進尺的方式，調(diào)整工作面支架和輸送機的狀態(tài),每7刀為一個循環(huán)，進刀方式如圖2所示。最終工作面按照1∶4的比例推采至旋轉(zhuǎn)結(jié)束，即膠運巷側(cè)推進60 m，輔運巷側(cè)推進弧長240 m。工作面膠運巷側(cè)支架和輸送機隨著工作面旋轉(zhuǎn)推進，整體向巷道側(cè)外移，每推進一個循環(huán)外移距離約為1211 mm，工作面外移計算如圖3所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)循環(huán)切割方式示意圖

圖3 工作面外移計算示意圖

推進刀數(shù)計算式為：

(1)

式中：N——工作面旋轉(zhuǎn)開采總進刀數(shù)，刀；

D——輔運巷弧長，m；

F——每刀進尺,取0.8 m。

將工作面輔運巷弧長240 m帶入式(1)，可得工作面旋轉(zhuǎn)總進刀數(shù)為300刀。

工作面輸送機(支架)向機頭方向移動距離計算：

(2)

式中：S——每個循環(huán)輸送機(支架)向機頭方向移動的距離，m；

L——膠運巷旋轉(zhuǎn)開采推進長度，m。

將相關數(shù)據(jù)帶入式(2)，可得每個循環(huán)輸送機(支架)向機頭方向移動的距離為1.211 m。

3 關鍵技術

3.1 工作面雙向割煤

工作面采用雙向割煤，按照正常循環(huán)進尺方式，機頭少進尺，機尾按照正常進尺(煤機截深800 mm)，工作面支架按照定線進行拉移，確保工作面機頭繞機尾進行正常旋轉(zhuǎn)推進，本工作面旋轉(zhuǎn)開采自7月25日開始至8月30日結(jié)束，累計36 d，機尾端平均進刀數(shù)8.3刀/d，推進距離6.7 m/d，實現(xiàn)工作面安全高效生產(chǎn)。

3.2 不等長工作面旋轉(zhuǎn)開采

隨著工作面的旋轉(zhuǎn)調(diào)面，工作面逐漸延長，當膠運巷推采至距拐點30 m位置時，工作面最大長度為221 m，工作面長度延長約15 m,機尾側(cè)共需要增設10組支架和10節(jié)溜槽；工作面達到最大面長后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)推進，面長逐漸減小，需逐步縮減支架及溜槽，當工作面推采至膠運巷拐點位置后,需逐漸回撤支架及溜槽，面長縮短至204 m,旋轉(zhuǎn)開采階段結(jié)束。

3.3 工作面機頭與轉(zhuǎn)載機的搭接

旋轉(zhuǎn)推采期間，由于工作面旋轉(zhuǎn)角度過大，容易造成刮板輸送機和轉(zhuǎn)載機搭接困難，出現(xiàn)刮板輸送機底鏈拉“回頭煤”現(xiàn)象，采取轉(zhuǎn)載機機尾超前臥底方式，臥底深度為500 mm，確保了刮板輸送機與轉(zhuǎn)載機合理搭接，解決了煤炭轉(zhuǎn)載問題。

3.4 控制輸送機上竄下滑

旋轉(zhuǎn)開采期間，容易造成刮板輸送機向機頭方向竄動，作業(yè)過程中，要觀測好輸送機竄動量，一是嚴格執(zhí)行從溜頭向溜尾單向推溜；二是拉架時采用液壓千斤頂調(diào)整支架方向，使支架與輸送機保持3°～5°夾角，防止輸送機上竄，調(diào)整方式如圖4(a)所示；三是通過調(diào)整支架底座后端，調(diào)整步距大于前端調(diào)整步距，確保工作面支架整體以機頭為中心進行旋轉(zhuǎn)，調(diào)整方式如圖4(b)所示；四是通過整體調(diào)整支架保證輸送機向機尾移動。

圖4 液壓千斤頂調(diào)架示意圖

3.5 頂板控制和支護技術

工作面配置ZY6400/17/35型掩護式液壓支架，對工作面實行全支護法管理頂板，工作面無過渡支架和端頭支架。兩端頭采用液壓單體支護，超前支護距離不小于20 m。

(1)加強工作面頂板管理。一是煤機割煤后，及時移架，確保支架前梁接實頂板，初撐力不低于24 MPa；二是工作面旋轉(zhuǎn)開采期間，為防止刮板輸送機上竄下滑，支架與工作面調(diào)整一定的角度，造成支架頂梁與煤壁不能垂直，端面距增大，根據(jù)煤層頂?shù)装鍫顩r，采取留頂煤方法，一般頂煤留設厚度為150～200 mm，防止了工作面前方漏頂現(xiàn)象。

(2)做好兩端頭頂板管理。一是支架距非回采側(cè)煤幫的間距超過1 m時，及時加支單體支柱；二是機頭由于工作面無專門端頭支架以及由于工作面調(diào)斜，造成三角區(qū)空頂面積大，移架后及時在三角區(qū)位置支架上方架設礦工鋼支護頂板。

(3)特殊區(qū)域和特殊時期頂板管理。一是機頭段頂板管理，因工作面機頭段進尺少，支架反復支撐頂板，頂板破碎易冒落，支架前梁頂板空頂時間較長，為防止溜頭段頂板冒落，工作面1～60號支架區(qū)域采取留頂煤方法，厚度為300～400 mm，確保了旋轉(zhuǎn)開采期間的頂板安全；二是頂板破碎及片幫時，采用提前拉移超前支架和緊跟煤機前滾筒移架兩種方式及時支護。

4 結(jié)論

(1)安源煤礦4217工作面頂板穩(wěn)定，實現(xiàn)了安全高效工作面大角度旋轉(zhuǎn)開采，采用雙向割煤方式的合理方案，創(chuàng)新了開采工藝，達到了良好效果。

(2)4217綜采工作面旋轉(zhuǎn)開采的成功應用，減少了工作面搬家次數(shù)，多回收煤炭資源8.96萬t，直接創(chuàng)造經(jīng)濟效益450萬元；少施工一個切眼，節(jié)省工作面設備搬家倒面費用300萬元；實現(xiàn)了工作面的連續(xù)推進，提高了資源回收率，為特殊地質(zhì)條件下回采工作面布置及開采積累了寶貴的經(jīng)驗，鍛煉了職工隊伍，提高了管理水平，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。