0 引 言
随着煤炭资源回采的机械化、智能化程度不断提高，开采深度逐步增加，地质条件越来越复杂，不规则工作面的布置也越来越多。在我国矿井实际生产中，由于地质条件的限制、采煤方法的不同、生产管理的不严以及设计等原因，矿井煤田呈现不规则形状，采区呈现为不规则划分，导致许多煤矿采煤工作面留设大量煤柱以及不规则块段，造成采区及工作面的煤炭采出率降低，有的达不到国家对采区采出率的规定，造成资源严重浪费。根据我国矿井开采特点，矿井残煤主要来自3个方面：①矿井留设的各种保安煤柱；②因地质条件复杂，在布置回采工作面时，受各种保安煤柱、现有开采技术及其他各方面因素的影响，出现较难开采的不规则边角煤；③工作面开采过程中遇复杂地质构造(大断层、大陷落柱)等，工作面不能向前推进而留下的残采工作面。这些残煤体，虽然块段面积小，但数量多，造成的开采损失数量十分惊人。
文献[1-3]利用旋转开采技术成功减少了综放面搬家倒面次数和多回收煤炭资源，攻克了种种难题，保证了旋转期间正常回采。文献[4-7]基于对综采工作面旋转开采技术理论的研究，成功应用到煤矿开采中，取得了显著的技术成果和经济效益。文献[8-9]通过理论分析和现场实践，总结了一套“三软”煤层旋转开采技术经验，取得了显著的社会效益。文献[10-12]针对工作面布置特征，成功设计、实施了特色旋转开采关键技术，解决了各种技术难题，提高了采出率。
保德煤矿81308综放工作面开切眼与运输巷不垂直，造成了终采线附近的三角煤丢失，经计算损失的原煤约为10.3万t，降低了资源采出率，加剧了采掘接续的紧张局面，有必要回采边界三角煤而进行旋转开采。
1 工作面概况及旋转开采可行性分析
1.1 工作面概况
保德煤矿位于保德县的西北部，矿井绝对瓦斯涌出量为95.25 m3/min，相对瓦斯涌出量为10.19 m3/t，为高瓦斯矿井。目前开采的8号煤层为二叠系下统山西组，属于Ⅱ类自燃煤层，火焰长度300 mm，自然发火期为4～6个月，具有煤尘爆炸危险性，爆炸指数为35.33%。81308工作面位于矿井三盘区，北为三盘区集中辅助运输大巷，南邻井田边界，以东为采空区，以西为81309工作面。工作面长240 m，走向长度2 554 m，煤层厚度6.72～8.07 m，平均厚度7.37 m，煤层结构较为复杂，含夹矸3～4层，煤层倾角3°～5°，平均4°，煤层走向近南北。基本顶为中粗粒砂岩、泥岩，平均厚度4.5 m；直接顶为砂质泥岩、粗粒砂岩，平均厚度13.5 m；直接底为中、细粒砂岩，平均厚度3.0 m。煤质为中-富灰、特低硫、低-中磷高灰熔点的气煤，煤的普氏系数f=0.72，煤质较软，抗拉、抗压强度较低；瓦斯放散初速度为14.1 mL/s，最大残余可解吸瓦斯含量为3.82 m3/t，平均2.66 m3/t；工作面沿煤层倾斜布置、走向推进，采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤方法，全部垮落法处理采空区，通风方式采用三进二回的U型通风，设计风量为2 600 m3/min。
81308综放工作面使用的大型机械设备主要有采煤机、液压支架、刮板输送机、装载机及破碎机等，设备型号及主要技术参数见表1。
表1 综放工作面机械设备参数
Table 1 Mechanical equipment parameters of fully-mechanized top-coal caving face
设备规格型号主要技术参数数量采煤机7LS6C-LWS716电动机功率2 125 kW1液压支架ZFY12500/25/39D支撑高度2.5^3.9 m127过渡支架ZFG12500/25/39D支撑高度2.5^3.9 m2组合端头支架ZFT19600/25/40D支撑高度2.5^4.0 m2排头支架ZFP12000/26/41D支撑高度2.6^4.1 m10前部刮板输送机SGZ900/2×1 000电动机功率2×1 000 kW1后部刮板输送机SGZ1000/2×1 000电动机功率2×1 000 kW1转载机SZZ1350/700电动机功率700 kW1破碎机PCM700电动机功率700 kW1
1.2 旋转开采可行性分析
81308综放工作面开切眼位于矿界附近，矿界与巷道成29°夹角，如果将工作面开切眼巷道垂直于区段平巷布置，矿界与开切眼之间将会留有三角煤丢失。旋转开采已经是一种不规则或者存在三角煤丢失工作面的有效且成熟的开采技术，对于提高煤炭采出率、减少搬家倒面次数、提高效益具有很大的优越性[13-15]。81308综放工作面煤层属于特厚、较软、近水平煤层，地质条件简单，煤层自然发火等级Ⅱ级，自然发火期4～6个月，构造少，基本不影响煤层开采，有利于机械化、高强度开采。
目前应用旋转开采成功的矿井有水城汪家寨41101工作面，该工作面顶煤松软，顶板为泥质粉砂岩；三软煤层的皖北任楼煤矿7231工作面；大倾角(24°～33°)综放旋转开采的永煤陈四楼2209工作面；旋转角度较大(180°)的邯郸郭二庄煤矿22208工作面；徐州庞庄煤矿2443工作面旋转角度也达到90°；与保德煤矿条件接近的同煤忻州窑煤矿8931工作面，也成功实现了综放工作面边角煤的旋转开采。因此，从地质条件与煤层条件分析，81308综放工作面完全可以实现旋转开采。
2 81308综放工作面旋转开采存在的难题及改进方案
1)保德煤矿81308综放工作面旋转开采存在的难题主要有以下几点：①该工作面使用大型设备，安装完成后再进行设备拆除、移动及更换等困难，因此，旋转开采中尽量布置等长工作面，避免增减设备，但旋转段的巷道布置将是一个技术难题。②采用综采放顶煤开采工艺，前、后2台刮板输送机中心距为7.2 m，且下端头采用端头支架，前、后2台刮板运输机、转载机和端头支架4台设备的搭接关系非常复杂，采用旋转开采时开切眼与运输巷夹角为123°，4台设备能否在钝角关系中顺利搭接，且不影响生产将是一个技术难题。③在旋转开采期间，下端头必然存在一个三角空顶区，且旋转开采时该三角区长时间经受采动影响，如何保证该区域的顶板完好、稳定将是一个安全技术难题。④由于下端头4台设备呈现钝角搭接的关系，前、后2台刮板输送机的长度必然不等长，如何确定中心位置进行旋转开采或是解决前、后部刮板输送机的不等长等问题将是一个技术难题。⑤旋转中心端工作面支架移架步距小、推进速度慢、支架对顶板反复支撑次数多，中心附近顶板管理困难，且输送机、液压支架容易下滑、挤架，输送机与转载机搭接比较困难。
2)改进方案。旋转采煤法按旋转中心可分为实心旋转和虚心旋转，实心旋转表示旋转中心位于机头或机尾，虚心旋转表示旋转中心位于工作面以外。针对实心旋转具有过程简单，操作方便，旋转范围、工作量相对较小的优点；而虚心旋转工艺较为复杂，旋转范围大，旋转参数、旋转进度较难控制，旋转期间工作面输送机和转载机搭接困难等特点；决定81308综放工作面应用实心旋转开采技术，针对实施过程中存在的难题，主要改进方案如下：①81308综放工作面应用实心旋转开采技术，以后部刮板输送机机头作为旋转中心点，旋转开采时后部刮板输送机机头基本不动，回风巷旋转推进，前、后部刮板输送机随着机尾旋转也逐步旋转，并最终与81308运输平巷及1号回风平巷呈垂直状态。②为了保证旋转开采时工作面长度基本不变，回风巷旋转段采用分段折线式掘进，尽量减少工作面长度的变化。③对于解决前、后部刮板输送机与转载机搭接的难题，安装时前部刮板输送机采用加输送机槽的方式与转载机搭接，并将端头支架与转载机向副帮偏移5°，开采时根据旋转角度与前部刮板输送机的伸出长度及时拆除多余的输送机槽。④旋转段需要长短刀配合进行旋转开采。共需23个循环，每个循环7短刀1通刀，分别从机尾30、60、90、120、150、180、210、240 m处进刀，机头只进空刀，不推移。⑤旋转开采期间机头1—20号支架不进行放顶煤，保证旋转中心附近的顶板稳定性；工作面每隔5架配备1～2根0.6 m及2.4 m的单体支柱以备调整支架使用。⑥加强工作面生产管理，合理调整旋转开采参数，及时调整输送机与转载机搭接长度。
3 81308综放工作面旋转开采技术
3.1 下端头设备搭接
81308综放工作面前、后刮板输送机采用双电机平行布置，工作面支架采用基本架配套过渡架及端头架，以后部刮板输送机机头为中心实现旋转，即以后部刮板输送机机头与转载机有效搭接为准，保证后部运输机的正常运输出煤。同时，前部刮板输送机通过增减输送机槽的方法实现与转载机的搭接。针对旋转开采时前后刮板输送机与转载机及端头支架呈钝角布置，如果要使得2部刮板输送机同时与转载机搭接合理，端头支架的立柱可能会与刮板机输送机头发生干扰，造成刮板输送机机头无法与转载机正常搭接的问题，采取将转载机偏移一定角度，为了保证转载机及端头架与运输巷下帮不发生干扰，对运输巷下端头煤柱侧副帮进行扩帮至宽度6 m，沿运输巷长度为15 m。经过计算与模拟，端头支架与转载机需要向外侧偏移5°，可以保证前后刮板输送机与转载机及端头支架的顺利搭接，前部刮板输送机相对后部刮板输送机延长3 794 mm，因此，在开切眼前部输送机安装时加1节标准输送机槽，再加1节2 044 mm长输送机槽，以便于前部刮板输送机与转载机的顺利搭接。
3.2 回采工艺
为了保证旋转调角时工作面刮板输送机不下滑以及输送机保持同一方向推进，工作面割煤采用单向割煤。在采煤机从机尾第1个拐点(30 m处)由81308运输巷向81308回风巷割煤后，及时移架，然后从拐点往81308回风巷逐架推移刮板输送机；采煤机接着返回至第2拐点(60 m处)开始至81308回风巷割煤，然后移架、推移刮板输送机，以此类推，实现单向割煤，单向推移刮板输送机、移架，保证了旋转开采的连续及前、后部刮板输送机、煤壁与支架均呈直线布置。81308综放工作面循环进刀如图1所示，81308综放工作面旋转开采割煤、推移刮板输送机工艺如图2所示。
3.3 巷道布置技术
根据81308综放工作面布置，设计回风巷掘进时采用折线方式掘进，共分4段折线，每段长度分别为32、35、35、32 m，每段折线向运输巷侧折角分别为3.75°、7.50°、7.50°、7.50°及3.75°，保证了工作面长度在240 m左右，最大误差不超过0.49 m；81308综放工作面旋转开采段1号回风平巷布置如图3所示。
根据矿井安全生产实际，工作面长度不超过1.5 m就不需要加减支架，形成的小面采用单体支柱等支护即可。为了避免旋转开采过程中支架可能会向回风巷上串，甚至顶至81308一号回风平巷副帮的情况，同时为了抵消工作面长度误差，将旋转段巷道进行扩帮加宽至5.5 m。采用此巷道布置技术大幅降低了安装、拆卸工程量及工人的劳动强度，减少了生产过程中引发的次生隐患，同时方便了上端头的维护。
图1 循环进刀示意
Fig.1 Cyclic feeding schematic
图2 旋转开采、推溜工艺
Fig.2 Rotary mining and push-pull technology
图3 旋转开采段1号回风平巷布置
Fig.3 No.1 air return lane arrangement along the rotating mining sections
3.4 顶板控制技术
1)三角空顶区锚杆锚索支护。81308综放工作面下端头顶板存在空顶区，经受采动影响顶板出现下沉、破碎及片帮严重，对作业人员及设备产生极大的安全隐患，因此必须对空顶区及时补强支护。根据矿井安全生产实际，顶板采用ø20 mm×2 100 mm螺纹钢锚杆、ø22 mm×6 500 mm锚索及1 200 mm×4 700 mm钢筋骨架网的联合支护，并使用液压单体与工字钢联合补强支护。
2)旋转中心附近支架上方挂金属网。旋转中心即机头段附近20～30台支架，在进行旋转开采时，因距旋转中心比较近，推移步距相对较小，支架反复支撑次数相对比较频繁，极易导致支架顶梁上方顶煤破碎，甚至顶板下沉，进而诱发冒顶事故，引起支架接顶不严、初撑力不足，造成支架失稳。81308综放工作面支架护帮板上没有侧护板，支架断面部分存在400 mm左右的护顶盲区，为了防止盲区发生冒顶，在支架上方采用铺设顶网的工艺。顶网选用10号金属网，网片规格为2 m×3 m，沿支架前进方向铺设，网片与支架之间搭接100 mm，搭接处每200 mm采用14号铁丝双排迈步式绑扎一道。同时为了防止移架时出现网兜拉坏金属网，决定在金属网的下方沿着工作面倾向方向铺设一道木板梁，木板梁宽度大于1.75 m(略大于支架宽度)，间距2.5 m，保证支架在前移过程中顶板完整，从而保证支架的初撑力，确保支架的稳定性。
3)注浆加固顶板。针对81308综放工作面端头三角空顶区和旋转中心附近局部顶煤和顶板使用锚杆、锚索及网片联合支护后出现顶板破碎，造成顶板冒顶现象，采取顶板注浆加固的方法进行处理。使用材料为散装马丽散，该材料具有凝胶时间快、粘附性好及强度高等特点，保证了顶板的完整性，进一步确保锚杆、锚索及网片的支护有效。
4 结 论
81308综放工作面旋转开采的成功实施，克服了复杂地质条件的影响，减少了工作面搬家倒面次数，节约了搬家倒面费用约700万元；开切眼与边界保护煤柱之间三角区面积为16 500 m2，可回采煤量10.30万t，提高了资源采出率，按照每吨煤盈利200元，创造利润2 060万元。实现了工作面的连续推进，减少了巷道掘进工程量，创新机尾割三角煤斜切进刀的单向割煤生产工艺，即工作面采煤机由机尾向机头方向割煤-采煤机由机头向机尾方向扫底煤-由机尾向机头方向移支架(滞后采煤机3～5架)-由机头向机尾方向移刮板输送机，提高了复杂地质条件下的管理、技术水平。增加了高瓦斯工作面的回采时间，缓解了抽掘采接续的紧张局面，对该矿其它工作面的边界三角煤及不规则块段的采出积累了宝贵经验，也对其他地质条件相似的矿井不规则残煤的采出具有良好的借鉴作用。
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