特厚煤层旋转工作面开采设计及分段来压规律实测分析

郭传清，程传超，张连伍，张建强

（兖矿能源有限公司济宁二号煤矿，山东 济宁 272000）

煤炭作为一种不可再生资源，合理开发利用煤炭资源具有重要的意义[1，2]。目前，由于地质条件、采煤方式和生产设计等因素的影响，使得矿井的采区或者工作面的划分并不规整，导致遗留众多的不规则煤柱[3，4]。为了回采遗留煤柱或边界三角煤，提高煤炭资源的回采率，越来越多的矿井开始采用转采工作面进行开采[5-7]。由于旋转开采期间顶板的特殊运动特征，使得工作面开采过程中的矿压规律明显区别于一般生产工作面。为此，众多学者开始重点研究转采期间的矿压规律，进而指导类似工作面的生产[8-9]。蒲志强等[10]研究了旋转调斜推进过程中巷道围岩运动情况。董海宁等[11]通过数值模拟分析了工作面旋转开采前、中、后的矿压显现规律。李亮等[12]通过数值分析和现场观测的方式分析了综放工作面矿压显现特征。杨晓东等[13]研究了不规则工作面开采技术方案及矿压规律，发现调斜过程中应力、位移及塑性区存在着不对称分布的现象。

兖矿能源集团济宁二号煤矿103下03综放工作面，工作面初采阶段临近八里铺断层，若按照正常设计工作面回采，会滞留部分三角煤无法采出，造成资源的浪费，参考国内外开采经验并结合矿方的采矿地质条件，决定将103下03综放工作面设计成旋转工作面，并对现场的分段来压规律进行了分析。现场工程实践表明，103下03工作面转采方案取得成功，增加了工作面的服务年限，提高了煤炭的采出率。

103下03工作面位于十采区中北部，东侧为八里铺断层，西侧的十采区胶带输送机巷和十采区进风巷，南距103下01工作面约867 m，北侧为设计的103下04工作面，如图1所示。煤层位于十采区3煤合并区范围内，该煤层起伏变化较大，西部较平缓，东部相对倾角较大，整体趋势为西部高，东部低，煤层倾角2°～8°，平均5°，煤厚8.24～9.57 m，平均9.1 m。103下03工作面直接顶为粉砂岩，厚度0～6.47 m，平均厚度2.16 m，灰色，局部夹有菱铁质薄层或透镜体，缓波状斜层理；
f=3～7。基本顶为中砂岩，厚度12.25～14.7 m，平均厚度13.48 m，灰白色，成分以石英、长石为主，含大量暗色矿物，裂隙发育，薄层状单斜层理发育；
f=6.0～13.0，工作面顶底板岩性见表1所列。

图1 103下03旋转工作面

表1 工作面顶底板情况

103下03工作面设计走向长度578.5～663.9 m，倾向长度229.6 m，设计采厚3.5 m，采放比1∶2.5，工作面设计为一进一回两巷，沿煤层底板布置。选用MG750/1860-WD型电牵引采煤机，采高为2.1～4.8 m；
综放工作面前后均需布置刮板输送机，选用SGZ1000/2000型中双链刮板输送机作为前部输送机，输送能力2 500 t/h，允许弯曲角度为3°，SGZ1000/1710H型中双链刮板输送机作为后部输送机，输送能力2 500 t/h，允许弯曲角度为2°。转载机型号：SZZ1200/700，输送能力2 600 t/h；
工作面支架型号：ZF12000/18.5/35，额定工作阻力为12 000 kN，额定支护强度为1.45～1.47 MPa，支护高度为1.85～3.5 m。

2.1 旋转方式及旋转中心的确定

旋转式采煤是指综采工作面边采煤边旋转一定角度的一种采煤工艺，可分为2种类型：一是实心旋转式开采，即固定其一端，另一端根据提前设计好的旋转角度进行开采；
另一种是虚心旋转式，即将调采旋转中心由工作面机头转移到工作面以外。2种旋转方式如图1所示。

为对比分析2种开采方式的优缺点，进而确定合理的旋转方式，从施工难易度、旋转范围和围岩的稳定控制等3个角度进行对比分析。针对实心旋转式开采，①施工难易度方面：操作技术简单，工作面能够较快调向、工期短；
②旋转范围：较虚心旋转的旋转半径较小，表明其旋转范围小；
③围岩稳定控制：机头处支架对顶板反复支撑、卸载，容易导致机头附近及超前巷道顶板破碎。针对虚心旋转式开采，①施工难易度：操作工艺复杂，旋转工艺参数确定较为困难；
②旋转范围：有相对较大的旋转范围；
③围岩稳定控制：减小了反复顶板支护的工作，对于顶板条件较差的环境有较好的适应性。

图2 2种旋转开采方式

综上所述，103下03工作面两侧为大范围的实体煤，预计运输顺槽围岩变形较小，可以较为容易的实现巷道围岩的维护，同时采用实心旋转，能较快的实现调斜工作，可减少一部分隐患。因此，选择实心旋转方案，即旋转中心位于工作面之内。

2.2 调采参数的估算

2.2.1 调采循环数

每循环旋转角度是旋转采煤工艺中重要参数，指的是工作面采用短刀与长刀配合开采，使得整个工作面转过的角度；
因此，每个循环的转角必须满足小于等于刮板输送机最大水平弯曲度的要求。工作面运输机允许弯曲角度2°，即经过一个循环，工作面旋转2°。已知总循环角度为23°，可得工作面经过约12个调采循环可实现旋转23°的目标。

2.2.2 循环刀数

旋转开采采用长刀与短刀相结合的开采方式，在短刀割煤后必然会与长刀切割线相交产生拐点，根据要求其弯曲角度要与通刀后的角度相同。单个调采循环内割煤刀数就越多，短刀斜切引起的刮板输送机弯曲角度越大，可能会对刮板输送机造成损坏，但工作面推进速度快。反之，割煤刀数越少，推进速度慢，短刀斜切造成的刮板输送机弯曲角度小。循环内割煤刀数可按式（1）计算：

式中：m为循环内割煤刀数，个；
a为单个调采循环转过的角度，2°；
B为采煤机截深，0.8 m；
L为工作面长度，230 m；

求得m为11。其现实意义为：在一个调采循环内，最多需要割煤11刀，就使工作面旋转2°。

2.3 循环进刀方式

根据上节计算结果，选用短刀斜切，先零后整的方法，确定103下03工作面每个大循环的循环刀数为11刀，意味着每次割煤就有一段工作面旋转约2°，直至全部工作面旋转2°。第一个循环内短刀按照以下顺序依次进行：12、24、36、48、60、72、84、96、108、120号支架，共完成10个短刀，第11次割通刀至刮板输送机机头。每个大循环进刀示意图如图3所示；
转采现场如图4所示。

图3 每个大循环进刀图

图4 转采工作面现场图

103下03工作面采用旋转工作面进行开采设计，辅运顺槽侧回采煤体明显多于运输顺槽侧，这会导致工作面的直接顶和基本顶的运动规律明显区别于正常工作面。本节基于现场数据，对103下03工作面分段来压规律进行阐述；
为区分不同推采阶段的矿压显现规律，将工作面划分为Ⅰ段和Ⅱ段，如图3所示。

3.1 直接顶垮落规律

工作面自2021年9月22日开始调试生产，截止到9月30日，辅运顺槽侧推进25.85 m，运顺进尺0 m，采空区101号架向辅顺方向顶煤出现垮落现象，此时工作面平均推进距离为13 m。截至到10月5日，辅运顺槽侧推进42.85 m，运顺进尺0 m，采空区70号架向辅顺方向直接顶基本垮落，103下03工作面直接顶初垮结束，此时工作面平均推进21.5 m，表明直接顶垮落步距为21.5 m。同时，工作面的微震事件也表现出明显的采动效应，在直接顶垮落阶段微震信号呈现先升高-后降低的变化趋势，其变化时间与直接顶运动时间吻合较好，如图5所示。

图5 工作面初采阶段微震活动规律

3.2 工作面Ⅰ段基本顶初次来压规律

旋转开采期间主要监测了工作面3个位置的支架阻力情况，分别为刮板输送机机头处的10号支架、工作面中部的70号支架和机尾处的152号支架。监测的支架阻力情况如图6所示。

由图6可知，10月12日夜班开始，工作面中部的70号支架和机尾处的140号支架开始明显增阻，且现场110～140号支架附近出现50～100 mm片帮，现场顶板有断裂声响。10月13日中班，工作面支架持续增阻，140号支架压力达到回采以来的最大值42 MPa。10月14日早班，支架工作阻力无增阻现象。结合以上数据，说明顶板完成了一次断裂、失稳、沉降运动过程，基本顶在采空区触矸而得到支撑，顶板压力高峰由工作面向煤壁深处转移，工作面I段顶板初次来压结束。

工作面I段顶板初次来压结束时，工作面辅顺推进73.9 m，工作面中部进尺推进36.95 m，平均进尺55.5 m，即基本顶初次来压步距为55.5 m。且采空区直接顶垮落较充分，I段初次来压比较缓和，矿压显现不明显，围岩变形较小，工作面I段初次来压动载系数为1.1。

图6 支架工作阻力图

3.3 工作面II段基本顶来压规律

图7给出了工作面继续推进期间的支架工作阻力。10月27日8点，支架54～58号，74～84号，95～101号，普遍片帮，片帮深度200～400 mm；
从电脑圆图仪记录的支架压力曲线上看，工作面支架阻力增阻明显，工作面持续增阻，现场顶板有断裂声响。10月29日中班，工作面达到回采以来的压力最大峰值38 MPa。10月29日夜班，支架工作阻力无增阻现象。结合以上各种矿压显现和数据，说明顶板完成了一次断裂、失稳、沉降运动过程，基本顶在采空区触矸而得到支撑，顶板压力高峰由工作面向煤壁深处转移，工作面II段顶板来压结束。

工作面II段顶板来压结束时，辅顺推进126 m，胶顺进尺推进8 m，平均进尺35.5 m，表明II段基本顶运动的步距为35.5 m。由于采空区分段垮落，II段初次来压比较缓和，矿压显现不明显，围岩变形较小，II段初次来压动载系数为1.05。

图7 支架工作阻力图

3.4 周期来压规律

11月6日工作面辅顺推进145.7 m，胶顺推进32 m，平均进尺88 m。支架工作阻力增阻明显，支架39～97号、68～103号、115～136号普遍片帮，片深200～400 mm；
支架循环末阻力峰值39 MPa，来压动载系数为1.13，说明工作面顶板正在做剧烈运动。直到11月7日工作面辅顺推进145.7 m，胶顺推进35.5 m，平均进尺90.6 m。支架工作阻力无增阻现象；
结合以上各种矿压显现和数据，说明顶板完成了一次断裂、失稳、沉降运动过程，表明第一次周期来压结束，来压步距23 m。

截止2022年3月3日103下03工作面已经历17次分段周期来压，详见表2。

表2 103下03周压步距及见方数据统计

1）转采阶段采用实心旋转方式，转采巷道为弧线型，经过1个调采循环，工作面转过2°，整个转采期间共需要12个调采循环。每个循环内机头、机尾按照1∶11推进，进刀位置分别为12、24、36、48、60、72、84、96、108、120号支架，共计10个进刀点，旋转角度为2°。

2）将103下03工作面划分为初采Ⅰ段和正常回采Ⅱ段，其中旋转开采中心位于胶运顺槽一侧；
直接顶初垮结束时，辅运顺槽侧推进42.85 m，胶运顺槽进尺0 m，表明直接顶垮落步距为21.5 m。I段顶板初次来压结束时，辅顺推进73.9 m，工作面中部进尺推进36.95 m，即基本顶初次来压步距为55.5 m。

3）工作面II段顶板来压结束时，工作面辅顺推进126 m，胶顺进尺推进8 m，平均进尺35.5 m，表明II段基本顶运动的步距为35.5 m。第一次周期来压结束时，工作面辅顺推进145.7 m，胶顺推进35.5 m，平均进尺90.6 m，表明第一次周期来压步距23 m。

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