郭傳清，程傳超，張連伍，張建強(qiáng)

（兗礦能源有限公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦，山東 濟(jì)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(jì)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(jìn)行開采[5-7]。由于旋轉(zhuǎn)開采期間頂板的特殊運(yùn)動(dòng)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(diǎn)研究轉(zhuǎn)采期間的礦壓規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)類似工作面的生產(chǎn)[8-9]。蒲志強(qiáng)等[10]研究了旋轉(zhuǎn)調(diào)斜推進(jìn)過程中巷道圍巖運(yùn)動(dòng)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(duì)稱分布的現(xiàn)象。

兗礦能源集團(tuán)濟(jì)寧二號(hào)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(jì)工作面回采，會(huì)滯留部分三角煤無法采出，造成資源的浪費(fèi)，參考國內(nèi)外開采經(jīng)驗(yàn)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(jì)成旋轉(zhuǎn)工作面，并對(duì)現(xiàn)場的分段來壓規(guī)律進(jìn)行了分析?，F(xiàn)場工程實(shí)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(jī)巷和十采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷，南距103下01工作面約867 m，北側(cè)為設(shè)計(jì)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(duì)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?；卷敒橹猩皫r，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(jì)走向長度578.5～663.9 m，傾向長度229.6 m，設(shè)計(jì)采厚3.5 m，采放比1∶2.5，工作面設(shè)計(jì)為一進(jìn)一回兩巷，沿煤層底板布置。選用MG750/1860-WD型電牽引采煤機(jī)，采高為2.1～4.8 m；綜放工作面前后均需布置刮板輸送機(jī)，選用SGZ1000/2000型中雙鏈刮板輸送機(jī)作為前部輸送機(jī)，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(jī)作為后部輸送機(jī)，輸送能力2 500 t/h，允許彎曲角度為2°。轉(zhuǎn)載機(jī)型號(hào)：SZZ1200/700，輸送能力2 600 t/h；工作面支架型號(hào)：ZF12000/18.5/35，額定工作阻力為12 000 kN，額定支護(hù)強(qiáng)度為1.45～1.47 MPa，支護(hù)高度為1.85～3.5 m。

2 合理旋轉(zhuǎn)開采方案設(shè)計(jì)

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(shí)心旋轉(zhuǎn)式開采，即固定其一端，另一端根據(jù)提前設(shè)計(jì)好的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)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(jī)頭轉(zhuǎn)移到工作面以外。2種旋轉(zhuǎn)方式如圖1所示。

為對(duì)比分析2種開采方式的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)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(gè)角度進(jìn)行對(duì)比分析。針對(duì)實(shí)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??；③圍巖穩(wěn)定控制：機(jī)頭處支架對(duì)頂板反復(fù)支撐、卸載，容易導(dǎo)致機(jī)頭附近及超前巷道頂板破碎。針對(duì)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(duì)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(hù)的工作，對(duì)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(shí)體煤，預(yù)計(jì)運(yùn)輸順槽圍巖變形較小，可以較為容易的實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的維護(hù)，同時(shí)采用實(shí)心旋轉(zhuǎn)，能較快的實(shí)現(xiàn)調(diào)斜工作，可減少一部分隱患。因此，選擇實(shí)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(gè)工作面轉(zhuǎn)過的角度；因此，每個(gè)循環(huán)的轉(zhuǎn)角必須滿足小于等于刮板輸送機(jī)最大水平彎曲度的要求。工作面運(yùn)輸機(jī)允許彎曲角度2°，即經(jīng)過一個(gè)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(gè)調(diào)采循環(huán)可實(shí)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(huì)與長刀切割線相交產(chǎn)生拐點(diǎn)，根據(jù)要求其彎曲角度要與通刀后的角度相同。單個(gè)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(jī)彎曲角度越大，可能會(huì)對(duì)刮板輸送機(jī)造成損壞，但工作面推進(jìn)速度快。反之，割煤刀數(shù)越少，推進(jìn)速度慢，短刀斜切造成的刮板輸送機(jī)彎曲角度小。循環(huán)內(nèi)割煤刀數(shù)可按式（1）計(jì)算：

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

求得m為11。其現(xiàn)實(shí)意義為：在一個(gè)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(jìn)刀方式

根據(jù)上節(jié)計(jì)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(gè)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(gè)循環(huán)內(nèi)短刀按照以下順序依次進(jìn)行：12、24、36、48、60、72、84、96、108、120號(hào)支架，共完成10個(gè)短刀，第11次割通刀至刮板輸送機(jī)機(jī)頭。每個(gè)大循環(huán)進(jìn)刀示意圖如圖3所示；轉(zhuǎn)采現(xiàn)場如圖4所示。

圖3 每個(gè)大循環(huán)進(jìn)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(jìn)行開采設(shè)計(jì)，輔運(yùn)順槽側(cè)回采煤體明顯多于運(yùn)輸順槽側(cè)，這會(huì)導(dǎo)致工作面的直接頂和基本頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)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(duì)103下03工作面分段來壓規(guī)律進(jìn)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(yùn)順槽側(cè)推進(jìn)25.85 m，運(yùn)順進(jìn)尺0 m，采空區(qū)101號(hào)架向輔順方向頂煤出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，此時(shí)工作面平均推進(jìn)距離為13 m。截至到10月5日，輔運(yùn)順槽側(cè)推進(jìn)42.85 m，運(yùn)順進(jìn)尺0 m，采空區(qū)70號(hào)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(shí)工作面平均推進(jìn)21.5 m，表明直接頂垮落步距為21.5 m。同時(shí)，工作面的微震事件也表現(xiàn)出明顯的采動(dòng)效應(yīng)，在直接頂垮落階段微震信號(hào)呈現(xiàn)先升高-后降低的變化趨勢，其變化時(shí)間與直接頂運(yùn)動(dòng)時(shí)間吻合較好，如圖5所示。

圖5 工作面初采階段微震活動(dòng)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(gè)位置的支架阻力情況，分別為刮板輸送機(jī)機(jī)頭處的10號(hào)支架、工作面中部的70號(hào)支架和機(jī)尾處的152號(hào)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(hào)支架和機(jī)尾處的140號(hào)支架開始明顯增阻，且現(xiàn)場110～140號(hào)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(hào)支架壓力達(dá)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(yùn)動(dòng)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(shí)，工作面輔順推進(jìn)73.9 m，工作面中部進(jìn)尺推進(jìn)36.95 m，平均進(jìn)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(dòng)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(jìn)期間的支架工作阻力。10月27日8點(diǎn)，支架54～58號(hào)，74～84號(hào)，95～101號(hào)，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(dá)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(yùn)動(dòng)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(shí)，輔順推進(jìn)126 m，膠順進(jìn)尺推進(jìn)8 m，平均進(jìn)尺35.5 m，表明II段基本頂運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jìn)145.7 m，膠順推進(jìn)32 m，平均進(jìn)尺88 m。支架工作阻力增阻明顯，支架39～97號(hào)、68～103號(hào)、115～136號(hào)普遍片幫，片深200～400 mm；支架循環(huán)末阻力峰值39 MPa，來壓動(dòng)載系數(shù)為1.13，說明工作面頂板正在做劇烈運(yùn)動(dòng)。直到11月7日工作面輔順推進(jìn)145.7 m，膠順推進(jìn)35.5 m，平均進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(jì)

4 結(jié)論

1）轉(zhuǎn)采階段采用實(shí)心旋轉(zhuǎn)方式，轉(zhuǎn)采巷道為弧線型，經(jīng)過1個(gè)調(diào)采循環(huán)，工作面轉(zhuǎn)過2°，整個(gè)轉(zhuǎn)采期間共需要12個(gè)調(diào)采循環(huán)。每個(gè)循環(huán)內(nèi)機(jī)頭、機(jī)尾按照1∶11推進(jìn)，進(jìn)刀位置分別為12、24、36、48、60、72、84、96、108、120號(hào)支架，共計(jì)10個(gè)進(jìn)刀點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為2°。

2）將103下03工作面劃分為初采Ⅰ段和正?；夭散蚨?，其中旋轉(zhuǎn)開采中心位于膠運(yùn)順槽一側(cè)；直接頂初垮結(jié)束時(shí)，輔運(yùn)順槽側(cè)推進(jìn)42.85 m，膠運(yùn)順槽進(jìn)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(shí)，輔順推進(jìn)73.9 m，工作面中部進(jìn)尺推進(jìn)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(shí)，工作面輔順推進(jìn)126 m，膠順進(jìn)尺推進(jìn)8 m，平均進(jìn)尺35.5 m，表明II段基本頂運(yùn)動(dòng)的步距為35.5 m。第一次周期來壓結(jié)束時(shí)，工作面輔順推進(jìn)145.7 m，膠順推進(jìn)35.5 m，平均進(jìn)尺90.6 m，表明第一次周期來壓步距23 m。