綜采工作面大角度旋轉開采技術創新與研究

史之印 李海偉 張思鑫 孟 鑫

(兗州煤業鄂爾多斯能化有限公司安源煤礦，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017200)

20世紀80年代初，綜采工作面旋轉式采煤法在我國一些礦區開始應用，近年來取得較大進展，提高了邊角煤開采回收率。根據國內開采經驗，綜采工作面旋轉開采角度在45°以下，開采的工藝難度較小，大于45°時，旋轉開采難度大。傳統的旋轉開采大多數采用單向分段割煤方式，生產效率較低。安源煤礦二采區北鄰礦井邊界位置，4217工作面為二采區最后一個工作面，工作面特殊位置影響工作面正規布置，為了多回收煤炭資源，結合安源煤礦實際地質條件，綜合國內旋轉開采技術，創新應用旋轉回采技術，確定大角度旋轉開采巷道布置方案和對不規則塊段煤層連續開采工藝的綜合應用，工作面不等長布置，旋轉角度60°，旋轉弧長240 m，割煤方式采用雙向往返割煤，通過調整機頭、機尾進尺等措施，實現工作面旋轉開采。通過研究和成功的實踐應用，對拓寬綜采工藝的適用范圍，減少旋轉開采條件的局限性，發揮綜采潛力，提高礦井機械化開采水平、經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效率，更有利于正常的生產組織管理，同時也為綜采工作面旋轉開采積累寶貴管理及操作經驗。

1 工作面概況

安源煤礦4217工作面位于北翼二采區東部，工作面西側為4216工作面采空區；東側為礦井邊界；北側為礦井北邊界；南側為北翼二采區回風大巷；工作面北段靠近4214、4215、4216采空區。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泥巖，厚度4.0～10.0 m，平均為8.0 m，灰色泥質膠結，層狀結構，性脆，易破碎產生裂隙；老頂以中粒砂巖為主，厚度為9.0～19.2 m,平均為14.1 m,局部裂隙發育。該工作面地質條件簡單，工作面走向長度1940 m，傾向長度112～239 m，開采分為3個階段，即規則開采階段、旋轉開采階段、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。從二采區主運巷開門，向北施工約30 m后與二采區回風巷貫通；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，通過聯絡巷與輔運巷聯通。

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 轉載機和DSJ120/150/2×250膠帶輸送機運煤。

2.3 旋轉開采工藝

2.3.1 工作面調斜

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，工作面調斜約9°，溜尾超前溜頭40 m,工作面長度由調斜前的239 m增大到241 m，增加2 m，工作面需延長2節溜槽，工作面溜尾側推進至縮面位置。

2.3.2 旋轉開采

工作面膠運巷距離拐點60 m時，縮撤面后進入旋轉開采階段。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，調整工作面支架和輸送機的狀態,每7刀為一個循環，進刀方式如圖2所示。最終工作面按照1∶4的比例推采至旋轉結束，即膠運巷側推進60 m，輔運巷側推進弧長240 m。工作面膠運巷側支架和輸送機隨著工作面旋轉推進，整體向巷道側外移，每推進一個循環外移距離約為1211 mm，工作面外移計算如圖3所示。

圖2 旋轉循環切割方式示意圖

圖3 工作面外移計算示意圖

推進刀數計算式為：

(1)

式中：N——工作面旋轉開采總進刀數，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)，可得工作面旋轉總進刀數為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——每個循環輸送機(支架)向機頭方向移動的距離，m；

L——膠運巷旋轉開采推進長度，m。

將相關數據帶入式(2)，可得每個循環輸送機(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推進，本工作面旋轉開采自7月25日開始至8月30日結束，累計36 d，機尾端平均進刀數8.3刀/d，推進距離6.7 m/d，實現工作面安全高效生產。

3.2 不等長工作面旋轉開采

隨著工作面的旋轉調面，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,機尾側共需要增設10組支架和10節溜槽；工作面達到最大面長后繼續旋轉推進，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,旋轉開采階段結束。

3.3 工作面機頭與轉載機的搭接

旋轉推采期間，由于工作面旋轉角度過大，容易造成刮板輸送機和轉載機搭接困難，出現刮板輸送機底鏈拉“回頭煤”現象，采取轉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載機合理搭接，解決了煤炭轉載問題。

3.4 控制輸送機上竄下滑

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

圖4 液壓千斤頂調架示意圖

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；二是工作面旋轉開采期間，為防止刮板輸送機上竄下滑，支架與工作面調整一定的角度，造成支架頂梁與煤壁不能垂直，端面距增大，根據煤層頂底板狀況，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象。

(2)做好兩端頭頂板管理。一是支架距非回采側煤幫的間距超過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斜，造成三角區空頂面積大，移架后及時在三角區位置支架上方架設礦工鋼支護頂板。

(3)特殊區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號支架區域采取留頂煤方法，厚度為300～400 mm，確保了旋轉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 結論

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

(2)4217綜采工作面旋轉開采的成功應用，減少了工作面搬家次數，多回收煤炭資源8.96萬t，直接創造經濟效益450萬元；少施工一個切眼，節省工作面設備搬家倒面費用300萬元；實現了工作面的連續推進，提高了資源回收率，為特殊地質條件下回采工作面布置及開采積累了寶貴的經驗，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濟效益。