綜放工作面旋轉(zhuǎn)開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

蘇相賓

（中煤集團(tuán)山西華昱能源有限公司 南陽(yáng)坡煤業(yè)，山西 朔州 036000）

0 引 言

我國(guó)煤炭資源賦存地質(zhì)條件較為復(fù)雜，煤層常伴隨有斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造，人為劃分工作面推進(jìn)范圍均導(dǎo)致開(kāi)采中遺留下來(lái)大量煤柱。綜放工作面設(shè)計(jì)時(shí)要考慮工作面在時(shí)間和空間上的高效、連續(xù)，實(shí)現(xiàn)煤炭回收率和效益的最大化，對(duì)于這類煤層通常在工作面開(kāi)采工藝、巷道布置以及設(shè)備選型配套等方面與常規(guī)工作面開(kāi)采相異[1-3]。

近年來(lái)，為避開(kāi)特殊地質(zhì)條件（如大斷層、褶曲、陷落柱等） 或回收邊角煤柱，技術(shù)人員對(duì)工作面旋轉(zhuǎn)開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行了深入廣泛地研究，文獻(xiàn)[4-7]研究了旋轉(zhuǎn)開(kāi)采回收三角煤過(guò)程中回采工藝、巷道布置、端頭設(shè)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(fèi)；文獻(xiàn)[8-9]基于旋轉(zhuǎn)開(kāi)采理論在復(fù)雜地質(zhì)條件礦井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，并著重加強(qiáng)巷道與工作面的礦壓觀測(cè)，成功實(shí)現(xiàn)工作面的接續(xù)開(kāi)采；文獻(xiàn)[10-12]采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐等手段研究了工作面與順槽旋轉(zhuǎn)開(kāi)采過(guò)程中頂板運(yùn)動(dòng)與礦壓顯現(xiàn)，針對(duì)性提出頂板控制方案，保障了旋采面安全高效開(kāi)采。

南陽(yáng)坡26108 綜放面處于礦井西南邊界，面內(nèi)有1 條落差為8~13 m 的走向斷層。若為避開(kāi)斷層搬家倒面，則需重新開(kāi)切眼，導(dǎo)致礦井生產(chǎn)出現(xiàn)斷檔，影響嚴(yán)重，且輔助工作量大，因此有必要采用工作面旋轉(zhuǎn)開(kāi)采。

1 工作面概況

南陽(yáng)坡煤礦位于山陰縣，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量2.86 m3/min，礦井相對(duì)瓦斯涌出量0.5 m3/t，屬低瓦斯礦井。26108 工作面北側(cè)為26106 實(shí)體煤層，南側(cè)和西側(cè)為井田邊界，東側(cè)6 煤輔運(yùn)大巷。工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)度為905 m，工作面切眼長(zhǎng)260 m。煤層在采區(qū)范圍內(nèi)部發(fā)育完整，根據(jù)巷道兩順槽實(shí)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(zhuǎn)采實(shí)施方案

2.1 轉(zhuǎn)采方案設(shè)計(jì)

根據(jù)南陽(yáng)坡煤礦26108 綜放工作面實(shí)際，確定采用虛心調(diào)斜方法，繪制運(yùn)行模擬軌跡線。工作面刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)允許的彎曲角度2°~3°，工作面刮板輸送機(jī)最小彎曲長(zhǎng)度l，當(dāng)深為0.8 m 時(shí)l 為20 m。26108 工作面采長(zhǎng)260 m，工作面最多可分為13 段調(diào)斜，即最大調(diào)斜比例為1∶13。因工作面長(zhǎng)度較大，根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)采用1∶8 較為適中，比例較大時(shí)不易掌控。工作面采用1∶8 比例（機(jī)頭推進(jìn)1 刀，機(jī)尾推進(jìn)8 刀）。循環(huán)旋轉(zhuǎn)角β 計(jì)算公式為：

式中：n 為循環(huán)刀數(shù)；b 為采煤機(jī)截深，m；L 為工作面采長(zhǎng)；計(jì)算的β=1.23°；旋轉(zhuǎn)期間機(jī)尾推進(jìn)刀數(shù)（循環(huán)數(shù)量） N=INT（31.90°/1.23°） =25。

采用虛中心方式，按1∶8 比例計(jì)算，機(jī)尾推進(jìn)刀數(shù)X=8N=200，推進(jìn)度160 m；機(jī)尾總推進(jìn)進(jìn)刀數(shù)25 刀，推進(jìn)度20 m，以該機(jī)尾和機(jī)頭推進(jìn)刀數(shù)作為2 個(gè)同心圓的弧長(zhǎng)，按照31.90°圓心角，可以換算出2 個(gè)圓的半徑分別為287.38 m、35.90 m，繪制出虛旋轉(zhuǎn)中心位置如圖2 所示。

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

2.2 掘進(jìn)前期準(zhǔn)備工作

（1） 確定26108 運(yùn)輸順槽拐彎位置，為便于轉(zhuǎn)載機(jī)剩余不可拆卸部分整體旋轉(zhuǎn)（21 m），將運(yùn)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(qiáng)支護(hù)密度和強(qiáng)度，同時(shí)為后期刷擴(kuò)創(chuàng)造條件。

（2） 26108 回風(fēng)順槽掘進(jìn)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(zhuǎn)采拐點(diǎn)，為盡快找到煤層底板、減少煤炭損失、避開(kāi)斷層破碎帶影響，設(shè)計(jì)采用8°快速通過(guò)斷層。

（3） 掘進(jìn)至拐點(diǎn)20 m 前變換方位進(jìn)行拐彎掘進(jìn)，以每米為單位控制中線左右偏移量，拐彎段掘進(jìn)時(shí)故意向工作面煤壁側(cè)偏移，同時(shí)刷大巷道斷面（斷面最大處寬為7.6 m），以確保工作面機(jī)尾旋轉(zhuǎn)開(kāi)采時(shí)工作面等長(zhǎng)，避免轉(zhuǎn)采期間延縮溜子支架或煤機(jī)無(wú)法割透煤壁的現(xiàn)象出現(xiàn)，如圖3 所示。

圖3 2 號(hào)拉繩變形監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)曲線Fig.3 Data curve of No.2 rope drawing deformation monitor

圖3 26108 回風(fēng)順槽轉(zhuǎn)彎段示意Fig.3 Schematic diagram of 26108 ventilation roadway turning point

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

2.3 回采工藝

由于旋轉(zhuǎn)中心靠近工作面機(jī)頭，故在機(jī)頭回采到距順槽拐彎點(diǎn)21 m、機(jī)尾回采到距順槽拐彎點(diǎn)146 m 時(shí)開(kāi)始調(diào)整機(jī)頭機(jī)尾進(jìn)刀次數(shù)，考慮到刮板輸送機(jī)溜槽最大變化角度為±3°，經(jīng)計(jì)算確定該旋轉(zhuǎn)方案刮板輸送機(jī)變化角度為1.23°，即按照機(jī)頭∶機(jī)尾=1∶8 的進(jìn)刀比例推采。從機(jī)尾向機(jī)頭方向單向割煤，割煤順序?yàn)椴擅簷C(jī)從機(jī)尾向機(jī)頭方向割40 m（175～149 號(hào)支架） —退回機(jī)尾割70 m（175～129 號(hào)支架） —退回機(jī)尾割100 m（175～109 號(hào)支架） —退回機(jī)尾割130 m（175～89 號(hào)支架） —退回機(jī)尾割160 m（175～69 號(hào)支架） —退回機(jī)尾割190 m（175～49 號(hào)支架） —退回機(jī)尾割220 m（175 ～29 號(hào)支架） —退回機(jī)尾割260 m（175～1 號(hào)支架）。如此往復(fù)，直至工作面設(shè)備垂直于兩順槽，轉(zhuǎn)采結(jié)束，采煤機(jī)進(jìn)刀與運(yùn)行軌跡如圖4 所示。

圖4 采煤機(jī)進(jìn)刀與運(yùn)行軌跡Fig.4 The feed and running track of shearer

3 過(guò)程控制

3.1 轉(zhuǎn)采前過(guò)程控制

為盡可能使工作面正常向前推采，減少轉(zhuǎn)采時(shí)間，需提前對(duì)轉(zhuǎn)采前的設(shè)備進(jìn)行改造更換。

（1） 根據(jù)拐彎生產(chǎn)需要，運(yùn)輸順槽原有系統(tǒng)推采到距離拐點(diǎn)120 m（轉(zhuǎn)載機(jī)長(zhǎng)50 m、順槽皮帶機(jī)頭段長(zhǎng)65 m、自移機(jī)尾機(jī)頭距卷帶機(jī)5 m） 時(shí)將受設(shè)備限制，無(wú)法繼續(xù)向前推進(jìn)，此時(shí)進(jìn)行出煤系統(tǒng)第一次改造（改造順槽二部皮帶），拆除二部皮帶卷帶機(jī)及其液壓控制系統(tǒng)、夾帶裝置、張緊絞車等機(jī)構(gòu)，把張緊換向滾筒組前移至距儲(chǔ)帶倉(cāng)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(shí)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?；夭闪浚瑑?chǔ)帶滿后再進(jìn)行皮帶回收，依次正常循環(huán)生產(chǎn)直至第二次皮帶改造。

（2） 當(dāng)皮帶自移機(jī)尾回采推進(jìn)至距張緊換向滾筒組12 m 時(shí)，拆除剩余段儲(chǔ)帶倉(cāng)，在緊貼驅(qū)動(dòng)滾筒的后方安裝一個(gè)簡(jiǎn)易拖帶滾筒和壓帶滾筒，此時(shí)整個(gè)皮帶已壓縮到了極限位置，工作面再次推進(jìn)12 m 后拆除整個(gè)皮帶，同時(shí)分別在原二部皮帶順槽安裝1 部改造后的轉(zhuǎn)載機(jī)（79 m 長(zhǎng)）、在1 部皮帶機(jī)尾安裝1 部新轉(zhuǎn)載機(jī)（49 m 長(zhǎng)） 搭接后進(jìn)行原煤運(yùn)輸。

3.2 轉(zhuǎn)采中過(guò)程控制

3.2.1 運(yùn)輸順槽設(shè)備過(guò)程控制

（1） 改造后的轉(zhuǎn)載機(jī)每天根據(jù)工作面推進(jìn)度可拆除對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的溜槽，為了避免工作面下隅角頂板隨采隨落而影響轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾拉移及回撤，在距轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾1~1.5 m 處及時(shí)支設(shè)井字形木垛，直至轉(zhuǎn)采結(jié)束。

（2） 溜槽拆除工作直至不可拆卸處（剩余21 m），此時(shí)轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行整體前移和旋轉(zhuǎn)，利用單體將轉(zhuǎn)載機(jī)強(qiáng)制進(jìn)行整體旋轉(zhuǎn)，由于運(yùn)輸順槽拐彎前后15 m 巷道已提前刷寬，所以設(shè)備整體旋轉(zhuǎn)不受空間限制，工作面前部刮板機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)搭接困難時(shí)可將前部刮板機(jī)機(jī)頭與轉(zhuǎn)載機(jī)之間加裝了過(guò)度滑板，保證了煤流能夠正常輸送到轉(zhuǎn)載機(jī)，避免了刮板機(jī)帶回頭煤的現(xiàn)象發(fā)生。

（3） 整體旋轉(zhuǎn)直至剩余角度小于5°時(shí)，拆除改造的轉(zhuǎn)載機(jī)，并將1 部皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)及其配套設(shè)備倒退至工作面后部刮板機(jī)處，恢復(fù)綜放工作面正常運(yùn)煤系統(tǒng)狀態(tài)，至此工作面旋轉(zhuǎn)結(jié)束。

（4） 當(dāng)轉(zhuǎn)采末期工作面運(yùn)輸順槽設(shè)備完成31.90°的旋轉(zhuǎn)后，開(kāi)始進(jìn)行順槽一部皮帶機(jī)尾側(cè)轉(zhuǎn)載機(jī)與工作面設(shè)備的搭接，此時(shí)將端頭支架進(jìn)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(jī)尾轉(zhuǎn)載機(jī)機(jī)尾處，并進(jìn)行安裝對(duì)接，將原轉(zhuǎn)載機(jī)剩余部分拆除，通過(guò)原26106 運(yùn)輸順槽升井，此時(shí)轉(zhuǎn)采基本結(jié)束，剩余工作為工作面設(shè)備調(diào)正及設(shè)備搭接調(diào)整。

3.2.2 工作面設(shè)備控制

（1） 因機(jī)尾較機(jī)頭方向標(biāo)高高出10 m 左右，且旋轉(zhuǎn)中心位于機(jī)頭附近，為預(yù)防工作面設(shè)備上竄下滑，要根據(jù)設(shè)備搭接情況實(shí)時(shí)調(diào)整移溜方向，已保證設(shè)備搭接合理。

（2） 由于機(jī)尾方向推進(jìn)度較機(jī)頭方向推進(jìn)度大，如果按照之前正常回采時(shí)的方式拉移后溜，必將導(dǎo)致設(shè)備擠壓、旋轉(zhuǎn)不到位等現(xiàn)象發(fā)生，于是改變拉移方式，由原來(lái)每架一組（2 根） 移后溜千斤頂工作改成每架機(jī)尾側(cè)拉后溜千斤頂工作，保證工作面轉(zhuǎn)采時(shí)后部刮板輸送機(jī)受力均勻。另外在拉架時(shí)還利用支架底座推拉油缸的作用，將支架后部向機(jī)尾側(cè)頂推，使支架調(diào)向，確保設(shè)備正常旋轉(zhuǎn)。

（3） 為預(yù)防因?qū)嶋H操作過(guò)程中機(jī)頭機(jī)尾不能按照既定的進(jìn)刀比例割煤、或因支架溜子不能調(diào)直等原因引起的采煤機(jī)無(wú)法割透煤壁現(xiàn)象，在回風(fēng)順槽準(zhǔn)備了兩節(jié)溜槽，以備隨時(shí)加裝設(shè)備。

3.3 防止設(shè)備上竄下滑措施

（1） 旋轉(zhuǎn)回采期間，采煤機(jī)每割完一個(gè)拐點(diǎn)，從下往上利用支架側(cè)護(hù)板和單體液壓支柱將支架尾部上調(diào)，使支架與輸送機(jī)保持垂直，逐架進(jìn)行。

（2） 及時(shí)調(diào)整支架，使支架與輸送機(jī)保持垂直，機(jī)尾附近支架中心線與刮板輸送機(jī)方向保持固定角度；嚴(yán)格控制并及時(shí)調(diào)整移輸送機(jī)的操作順序和推進(jìn)量，以消除輸送機(jī)竄動(dòng)時(shí)的反向分力。

（3） 移輸送機(jī)的推進(jìn)量，不一定推靠到煤壁，而要兼顧輸送機(jī)整體彎曲度，保證每個(gè)循環(huán)過(guò)后，工作面保持平直。

（4） 由于輸送機(jī)以機(jī)頭為圓心不斷旋轉(zhuǎn)，而液壓支架在側(cè)護(hù)板的夾持下只能直線前移，使得液壓支架經(jīng)常偏離與刮板輸送機(jī)垂直的位置，為此，除了機(jī)尾支架為防止刮板輸送機(jī)竄動(dòng)而保持一定的偏角外，其余支架偏角過(guò)大時(shí)，均應(yīng)及時(shí)調(diào)架，使之與輸送機(jī)保持垂直。

4 頂板控制

4.1 運(yùn)輸順槽超前支護(hù)頂板管控

為保障旋轉(zhuǎn)順利進(jìn)行，組織相關(guān)工程技術(shù)人員深入井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，量取拐點(diǎn)附近巷道斷面尺寸、記錄加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度及范圍、查看設(shè)備拆除及旋轉(zhuǎn)狀態(tài)對(duì)兩隅角頂板管理以及對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)影響，以此為依據(jù)進(jìn)行巷道支護(hù)的補(bǔ)強(qiáng)加固。

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

（2） 對(duì)附近巷道26106 運(yùn)輸順槽機(jī)頭段（轉(zhuǎn)采期間設(shè)備拆除回撤通道），在原頂板錨索支護(hù)的基礎(chǔ)上增加錨索+W 鋼帶進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，錨索間排距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定，原則上靠近巷道煤柱幫在原錨索每?jī)膳胖虚g增加一排進(jìn)行支護(hù)。

（3） 從26106 運(yùn)輸順槽開(kāi)口處至26108 工作面二部機(jī)頭檢修繞道四岔口之間，在頂板破碎嚴(yán)重處靠巷道南幫架設(shè)木垛；在26108 運(yùn)輸順槽與26106 運(yùn)輸順槽之間的2 條聯(lián)巷內(nèi)各施工2 個(gè)木垛，木垛架設(shè)在聯(lián)巷開(kāi)口6 m 以內(nèi)（從26106 運(yùn)輸順槽南幫起算）；同時(shí)對(duì)26108 回風(fēng)順槽拐彎段巷道寬度超過(guò)5.2 m 的區(qū)域靠非回采側(cè)支設(shè)1 排單體，防止回采動(dòng)壓影響巷道使用安全，支設(shè)布置示意圖如圖5 所示。

圖5 運(yùn)輸順槽轉(zhuǎn)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(jù)轉(zhuǎn)載機(jī)剩余不可拆除部分長(zhǎng)度，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬旋轉(zhuǎn)過(guò)程，對(duì)26108 運(yùn)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(shí)對(duì)拐彎點(diǎn)前后20 m 巷道北幫采用錨索+W鋼帶加強(qiáng)支護(hù)），以保證工作面旋轉(zhuǎn)時(shí)巷道斷面能夠滿足使用要求。

（5） 為加強(qiáng)頂板支護(hù)，當(dāng)巷道寬度超過(guò)5.6 m時(shí)錨桿間距變?yōu)?.9 m，錨索間距變?yōu)?.6 m，并呈3—2—3 布置；當(dāng)巷道寬度超過(guò)6 m 時(shí)錨桿間排距變?yōu)?.8 m×0.8 m，錨索間排距變?yōu)?.6 m×1.6 m，每排3 根配合W 鋼帶布置；在巷道寬度超過(guò)6 m以上不影響行人行車的區(qū)域打設(shè)液壓?jiǎn)误w支柱配合方木對(duì)頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

4.2 工作面頂板管控

由于工作面機(jī)頭與機(jī)尾旋轉(zhuǎn)比例呈1∶8，故機(jī)頭相對(duì)機(jī)尾推進(jìn)度基本保持靜止?fàn)顟B(tài)，考慮工作面機(jī)頭段長(zhǎng)期收動(dòng)壓影響，頂板破碎，容易發(fā)生漏頂現(xiàn)象，應(yīng)控制機(jī)頭至20 號(hào)支架范圍內(nèi)頂煤的放出量，即適當(dāng)放煤或不放煤，其他范圍內(nèi)正常放煤。

4.3 回風(fēng)順槽過(guò)程控制

當(dāng)工作面回風(fēng)順槽旋轉(zhuǎn)至大斷面范圍，上出口原液壓支架支護(hù)不能滿足安全需要時(shí)，將超前液壓支架（護(hù)巷架） 后退與工作面液壓支架并排，補(bǔ)充上出口液壓支架支護(hù)不足現(xiàn)象，并采用單體液壓支柱補(bǔ)足超前支護(hù)距離，確保了工作面安全旋轉(zhuǎn)。

5 結(jié) 論

（1） 確定了26108 綜放工作面旋轉(zhuǎn)開(kāi)采方案、過(guò)程控制及頂板控制技術(shù)并成功實(shí)施，解決了工作面過(guò)斷層的工程難題。

（2） 工作面旋轉(zhuǎn)開(kāi)采多回收煤炭資源約31 萬(wàn)t，創(chuàng)收約6 000 萬(wàn)元；與搬家倒面相比少掘1 條260 m 長(zhǎng)的切眼，少一次工作面設(shè)備拆除與安裝費(fèi)用，共計(jì)節(jié)約費(fèi)用約900 萬(wàn)元。

（3） 豐富了礦井面對(duì)斷層等特殊地質(zhì)條件的管理和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為礦井采用該技術(shù)回收井田邊角煤提供了工程經(jīng)驗(yàn)支撐，也對(duì)其他相似地質(zhì)條件礦井采用工作面轉(zhuǎn)采技術(shù)提供參考。