CN113803068B - 一种边角煤回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种边角煤回收方法，包括：获取边角煤区域的区域参数；根据区域参数，计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积、以及计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积；如果刀把面开采最大面积小于调斜开采最大面积，则确定调斜开采最大面积对应的调斜切眼，基于调斜切眼采用调斜开采方式开采边角煤区域，调斜切眼包括连续的调斜切眼弧形段和调斜切眼直线段。本发明通过比较刀把面开采最大面积和调斜开采最大面积，合理选择开采方式，实现回采率最大化。同时，当采用调斜开采，确定回采率最大化的调斜角度，并设计每个循环内调斜刀数、调斜循环数和调斜工艺，达到采用调斜开采技术实现回采率最大化的目的。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿相关技术领域，特别是一种边角煤回收方法。
背景技术
受井田边界、地质构造等因素影响，部分综采工作面常规布置时，切眼后方遗留边角煤造成资源浪费。为提高煤炭资源回收率，部分矿井采用“刀把面”布置方式，通过加面实现了边角煤回收，但是，若边角煤面积小、煤量小，“刀把面”布置将增加一次工作面安装，从安全、经济角度考虑均不合理。因此，很有必要结合实际开采条件，充分比较“刀把面”和调斜开采方案，选择合适的边角煤回收方案。2014年以来，神东煤炭集团哈拉沟、大柳塔等煤矿已成功应用了综采工作面调斜开采技术，避免了一次工作面安装，取得了良好的效果，当边角区域较小时应采取调斜开采技术，确保生产安全、效益最大化。
当前，边角煤回收技术主要有短壁工作面回采、“刀把面”布置回采和调斜开采三种，其中短壁工作面回采是通过对边界煤区域留设一定的巷道煤柱，利用连续采煤机及其配套设备对边界煤区域进行回采，具有投资少、见效快、机动灵活、适应性强等特点，能够实现边界煤回收。刀把面开采，是为提高矿井资源回收率，根据井田边界、地质构造影响情况，将综采工作面设计为“刀把”式。“刀把面”布置回采是根据切眼边界趋势，从边角煤区域开始缩短工作面宽度，进而增加工作面推进度，达到回收边角煤的目的，该技术能够采用综采技术直接回收煤炭资源，回采工艺简单，如图1所示。而调斜开采，是工作面受井田边界、地质构造等因素影响时，切眼按照常规布置存在边角煤资源浪费问题，为提高煤炭资源回收率，通过切眼不规则布置、回采过程中调整工作面与回风巷道夹角的开采技术。调斜开采技术是根据切眼边界趋势，结合刮板运输机水平方向允许弯曲度情况，布置切眼向边界方向拐弯、偏移，达到回收边角煤的目的，该技术生产连续性强，能够避免综采搬家倒面工作，如图2所示。
短壁工作面回采技术存在留设巷道保护煤柱问题，煤柱的留设存在采空区顶板大面积垮落的隐患，且煤柱的存在会导致下煤层开采矿山压力增大、通风气体管理困难等问题。“刀把面”布置回采技术需要增加一次综采工作面安装，工作面安装停产影响产量，且若边界与常规切眼夹角较小，边角煤回收率低。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术采用综采调斜开采技术回收边角煤时，合理调斜开采技术方案选择困难，未能实现边角煤最大化回收的技术问题，提供一种边角煤回收方法。
本发明提供一种边角煤回收方法，包括：
获取边角煤区域的区域参数；
根据所述区域参数，计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积、以及计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积；
如果所述刀把面开采最大面积小于所述调斜开采最大面积，则确定调斜开采最大面积对应的调斜切眼，基于所述调斜切眼采用调斜开采方式开采所述边角煤区域，所述调斜切眼包括连续的调斜切眼弧形段和调斜切眼直线段。
进一步地，所述根据所述区域参数，计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积、以及计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积，具体包括：
根据调斜开采方式所采用的液压支架的参数和调斜开采方式所采用的刮板运输机的参数，判断刮板水平方向调整角度是否满足调斜开采方式；
如果刮板水平方向调整角度满足调斜开采方式，则根据所述区域参数，计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积、以及计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积，否则不采用调斜开采方式开采。
更进一步地，所述根据调斜开采方式所采用的液压支架的参数和调斜开采方式所采用的刮板运输机的参数，判断每节刮板水平方向调整角度是否满足调斜开采方式，具体包括：
计算刮板运输机与液压支架后尾梁间距离；
计算液压支架一侧后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量x，其中，h2为刮板运输机与液压支架后尾梁间距离，α为每节刮板水平方向调整角度；
如果液压支架一侧后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量小于液压支架侧护板收缩量，则判断每节刮板水平方向调整角度满足调斜开采方式。
进一步地，所述计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积，具体包括：
对基于调斜开采角度的调斜开采区域面积公式对调斜开采角度求导；
计算在求导结果为0时的调斜开采角度，作为极值调斜角度；
将所述极值调斜角度代入所述调斜开采区域面积公式得到调斜开采区域面积公式的最大值作为调斜开采最大面积。
更进一步地，所述调斜开采区域面积公式为：
其中：
L为边角煤区域的综采工作面长度，l为调斜起始位置至常规布置切眼与回风巷交界点的距离，β为调斜开采角度，α为调斜开采方式开采所采用的刮板运输机每节刮板水平方向调整角度，l刮为调斜开采方式开采所采用的刮板运输机每节刮板长度，θ为边角煤区域的边界保护煤柱线与常规布置切眼之间的夹角，l1为边角煤区域的边界保护煤柱线与运输巷交界点至调斜起始位置的距离，l4为调斜结束位置至回风巷与边角煤区域的边界保护煤柱线交界点的距离，所述调斜切眼弧形段对应的圆心角为所述调斜开采角度。
进一步地，所述计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积，具体包括：
计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积其中，L为边角煤区域的综采工作面长度，θ为边角煤区域的边界保护煤柱线与常规布置切眼之间的夹角。
进一步地，所述基于所述调斜切眼采用调斜开采方式开采所述边角煤区域，具体包括：
将调斜切眼弧形段对应的工作面作为调斜工作面，将调斜切眼直线段对应的工作面作为直线工作面；
将调斜工作面分割为一个或多个循环，在每个循环内进行多刀割煤，调斜工作面的每刀在工作面具有拐点，所述拐点的弯曲角度为调斜开采方式所采用的刮板运输机的刮板水平方向调整角度；
将直线工作面分割为一个或多个循环，在每个循环内进行多刀割煤。
更进一步地：
调斜工作面的每一所述循环内的刀数其中B为正规循环进尺，L1为该循环的工作面调斜长度，α为每节刮板水平方向调整角度；
所述循环的数量N＝β/α，其中β为调斜开采角度。
更进一步地，所述在每个循环内进行多刀割煤，具体包括：
对于第p刀，采煤机由p点进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，支架工跟着采煤机拉架，推溜工将p+1点至机尾段运输机推出，使p+1点至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直，第p刀结束，其中，p点为第p刀在调斜切眼的端点位置，p+1点为第p+1刀在调斜切眼的端点位置；
对第p+1刀，采煤机端头正常进刀后，向机头割煤，到p+1点逐步由正常截深逐渐变为零，并空刀行走至p+2点机头侧，支架工正常跟机拉架，到p+1点时将支架与机头侧支架拉齐，推溜工将p+2点至机尾段运输机推出，使p+2点至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直，第p+1刀结束，其中，p+2点为第p+2刀在调斜切眼的端点位置。
更进一步地，所述在每个循环内进行多刀割煤，具体包括：
对于第p刀，推溜工将p点至机尾运输机推出，推移行程由零逐渐增大至最大行程，采煤机开始由p点进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，采煤机空刀返回至p+1点机头侧，支架工自机尾依次向机头拉架，第p刀结束，其中，p点为第p刀在调斜切眼的端点位置。
本发明通过比较刀把面开采最大面积和调斜开采最大面积，合理选择开采方式，实现回采率最大化。同时，当采用调斜开采，确定回采率最大化的调斜角度，并设计每个循环内调斜刀数、调斜循环数和调斜工艺，达到采用调斜开采技术实现回采率最大化的目的。
附图说明
图1为刀把面布置示意图；
图2为调斜开采布置示意图；
图3为本发明一种边角煤回收方法的工作流程图；
图4为刮板运输机和液压支架后尾梁调斜布置轨迹示意图；
图5为液压支架后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量分析示意图；
图6为调斜开采面积计算第一示意图；
图7为调斜开采面积计算第二示意图；
图8为调斜开采面积计算第三示意图；
图9为刀把面开采面积计算示意图；
图10为调斜工作面分割循环设计示意图；
图11为双向割煤调斜开采第一刀示意图；
图12为双向割煤调斜开采第二刀示意图；
图13为双向割煤调斜开采第三刀示意图；
图14为双向割煤调斜开采第四刀示意图；
图15为双向割煤调斜开采第m刀示意图；
图16为单向割煤调斜开采第一刀示意图；
图17为单向割煤调斜开采第二刀示意图；
图18为单向割煤调斜开采第三刀示意图；
图19为单向割煤调斜开采第四刀示意图；
图20为单向割煤调斜开采第m刀示意图；
图21为本发明一实施例调斜范围机头、机尾侧巷道特殊设计示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图3所示为本发明一种边角煤回收方法的工作流程图，包括：
步骤S301，获取边角煤区域的区域参数；
步骤S302，根据所述区域参数，计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积、以及计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积；
步骤S303，如果所述刀把面开采最大面积小于所述调斜开采最大面积，则确定调斜开采最大面积对应的调斜切眼，基于所述调斜切眼采用调斜开采方式开采所述边角煤区域，所述调斜切眼包括连续的调斜切眼弧形段和调斜切眼直线段。
具体来说，首先获取边角煤区域的区域参数，然后计算调斜开采最大面积和刀把面开采最大面积。如图1所示为刀把面开采，边角煤区域7为包括边界保护煤柱线5到常规布置切眼4之间的区域。在常规布置切眼之后的区域采用现有的综采方式。在图1的刀把面开采中，回风巷3为直线，且与运输巷2平行，刀把面切眼5从边界保护煤柱线1向回风巷3延伸，且刀把面切眼5与常规布置切眼4平行。而图2所示为调斜开采方式。在调斜开采方式中，回风巷3在边角煤区域7的部分为回风巷弧形段31，回风巷弧形段31与边界保护煤柱线1连接，回风巷弧形段31的圆心角为调斜开采角度，调斜开采方式的调斜切眼6包括调斜切眼弧形段61和调斜切眼直线段62，调斜切眼弧形段61对应的圆心角也为调斜开采角度。调斜切眼弧形段61一端与常规布置切眼4连接，另一端与调斜切眼直线段62一端连接，调斜切眼直线段62另一端与边界保护煤柱线1与回风巷弧形段31的连接点连接。
如果所述刀把面开采最大面积小于所述调斜开采最大面积，则触发步骤S303，采用调斜开采方式开采边角煤区域。否则，可以选择采用刀把面方式开采边角煤区域。
本发明通过比较刀把面开采最大面积和调斜开采最大面积，合理选择开采方式，实现回采率最大化。
在其中一个实施例中，所述根据所述区域参数，计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积、以及计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积，具体包括：
根据调斜开采方式所采用的液压支架的参数和调斜开采方式所采用的刮板运输机的参数，判断刮板水平方向调整角度是否满足调斜开采方式；
如果刮板水平方向调整角度满足调斜开采方式，则根据所述区域参数，计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积、以及计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积，否则不采用调斜开采方式开采。
具体来说，采用调斜方式开采，其综采工作面刮板运输机交叉侧卸式设计，因此，主要通过调整刮板运输机水平方向角度进行调斜，一般以工作面刮板运输机机头段为实心旋转机尾端。
如图4所示，调斜开采时，刮板运输机调斜布置轨迹41和液压支架后尾调斜布置轨迹42是以O点为圆心的同心圆，且刮板运输机调斜布置轨迹41为外圆，液压支架后尾梁调斜布置轨迹42为内圆。因此，按照刮板水平方向设计允许弯曲角度作为每节刮板水平方向调整角度调斜时，必须保证液压支架后尾梁处不发生挤架。
本实施例通过对液压支架的参数和刮板运输机的参数进行计算，判断刮板水平方向调整角度是否符合调斜开采方式，从而保证采用调斜开采方式时，液压支架后尾梁处不发生挤架
在其中一个实施例中，所述根据调斜开采方式所采用的液压支架的参数和调斜开采方式所采用的刮板运输机的参数，判断每节刮板水平方向调整角度是否满足调斜开采方式，具体包括：
计算刮板运输机与液压支架后尾梁间距离；
计算液压支架一侧后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量x，其中，h2为刮板运输机与液压支架后尾梁间距离，α为每节刮板水平方向调整角度；
如果液压支架一侧后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量小于液压支架侧护板收缩量，则判断每节刮板水平方向调整角度满足调斜开采方式。
由于液压支架后尾梁和刮板运输机为同心圆，如图5所示，每台液压支架一侧后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量x可按式(1)计算
式中：
α——每节刮板水平方向调整角度，单位为度(°)；
x——每台液压支架一侧后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量，单位为毫米(mm)；
h2——刮板运输机与液压支架后尾梁间距离，单位为毫米(mm)。
图5中，h1为液压支架52一侧后尾梁处宽度，L为刮板运输机51处宽度。
根据设备配套可知运输机每节刮板水平方向调整角度。同时，刮板运输机与液压支架后尾梁间距离＝液压支架长度-刮板运输机宽度-采煤机截深-液压支架梁端距，因此，根据设备配套相关参数可以计算得出刮板运输机与液压支架后尾梁间距离。根据计算结果，由于刮板水平方向调整角度选取刮板水平方向设计运行弯曲角度，因此只要每台液压支架一侧后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量小于液压支架侧护板收缩量，即可说明按照刮板水平方向设计允许弯曲角度调斜可行。
本实施例给出具体的刮板水平方向调整角度判断方式。
在其中一个实施例中，所述计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积，具体包括：
对基于调斜开采角度的调斜开采区域面积公式对调斜开采角度求导；
计算在求导结果为0时的调斜开采角度，作为极值调斜角度；
将所述极值调斜角度代入所述调斜开采区域面积公式得到调斜开采区域面积公式的最大值作为调斜开采最大面积。
具体来说，调斜开采区域面积公式以调斜开采角度作为变量，调斜开采区域面积公式的导数为0时，调斜开采区域面积取极值，此时对应的调斜开采角度则为调斜开采最大面积对应的调斜开采角度。
在其中一个实施例中，所述调斜开采区域面积公式为：
其中：
L为边角煤区域的综采工作面长度，l为调斜起始位置至常规布置切眼与回风巷交界点的距离，β为调斜开采角度，α为调斜开采方式开采所采用的刮板运输机每节刮板水平方向调整角度，l刮为调斜开采方式开采所采用的刮板运输机每节刮板长度，θ为边角煤区域的边界保护煤柱线与常规布置切眼之间的夹角，l1为边角煤区域的边界保护煤柱线与运输巷交界点至调斜起始位置的距离，l4为调斜结束位置至回风巷与边角煤区域的边界保护煤柱线交界点的距离，所述调斜切眼弧形段对应的圆心角为所述调斜开采角度。
由于调斜开采区域为常规布置切眼、回风巷拐弯段、调斜切眼圈闭区域，为不规则区域，采用分割计算面积法，间接计算调斜开采区域面积S调，如图6和图7所示，S调可以按照式(2)计算
S调＝S1+S2-S3-S4-S5-S6 (2)
其中，式中各参数如图6、图7所示。
由图6可知，S1可按照式(3)计算
式中：
l——工作面调斜起始位置至机尾距离，即调斜起始位置63至常规布置切眼4与回风巷3交界点32的距离，单位为毫米(mm)；
β——调斜开采角度，其中，调斜切眼弧形段61对应的圆心角与回风巷弧形段31的圆心角均为所述调斜开采角度，单位为度(°)。
由图6可知，S2可按照式(4)计算
式中：
l1——机头至调斜起始位置的距离，即边角煤区域的边界保护煤柱线1与运输巷2交界点21至调斜起始位置63的距离，单位为毫米(mm)；
l——工作面调斜起始位置至机尾距离，单位为毫米(mm)；
β——调斜开采角度，单位为度(°)。
由图8可知，S3可按照式(5)计算
式中：
r——调斜切眼圆弧段半径，单位为毫米(mm)；
β——调斜开采角度，单位为度(°)。
由图8可知，S4可按照式(6)计算
式中：
l1——机头至调斜起始位置的距离，单位为毫米(mm)；
θ——边界保护煤柱线1与常规布置切眼4之间的夹角，单位为度(°)。
由图8可知，S5可按照式(7)计算
式中：
l4——调斜结束位置至机尾段的距离，即调斜结束位置64至回风巷3与边角煤区域的边界保护煤柱线1交界点32的距离，具体为调斜结束位置64至回风巷弧形段31与边角煤区域的边界保护煤柱线1交界点32的距离，单位为毫米(mm)；
γ——工作面机尾段与边界保护煤柱线夹角，即调斜切眼直线段62与边界保护煤柱线1的夹角，单位为度(°)。
由图8可知，S6可按照式(8)计算
式中：
r——调斜切眼弧形段圆弧半径，其值按式(9)计算；
β——调斜开采角度，单位为度(°)；
l5——S5计算对应三角形直角边，其值按式(10)计算；
l3——S4计算对应三角形直角边，其值按式(11)计算
相应公式如下：
式中：l刮——每节刮板长度，单位为毫米(mm)；意义同式(5)。
l5＝l4tgγ (10)
式中参数意义同式(7)。
l3＝l1tgθ (11)
式中参数意义同式(6)。
根据式(2)-(11)，简化可得调斜开采区域面积S调的计算公式
l4值按式(13)计算
式中：
L——综采工作面长度，单位为毫米(mm)；
β——调斜开采角度，单位为度(°)；
α——每节刮板水平方向调整角度，单位为度(°)；
l刮——每节刮板长度，单位为毫米(mm)；
l1——机头至调斜起始位置的距离，单位为毫米(mm)。
对于某一特定综采工作面，参数L、l、l刮、α、θ、l1、l4均为已知数据，通过对式(12)求导，即可得出调斜开采区域面积S调的最大值S调max，并可得出调斜开采面积最大时对应的调斜角度β。
在其中一个实施例中，所述计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积，具体包括：
计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积其中，L为边角煤区域的综采工作面长度，θ为边角煤区域的边界保护煤柱线与常规布置切眼之间的夹角。
采用刀把面布置回收边界煤时，工作面布置如图9所示，刀把面开采区域面积S刀按式(14)计算
S刀＝x1x2＝x1(L-x1)tgθ (14)
式中：
L——综采工作面长度，单位为毫米(mm)；
x1——刀把面切眼5宽度，单位为毫米(mm)；
x2——刀把面推进长度，单位为毫米(mm)；
θ——边界保护煤柱线1与常规布置切眼4之间的夹角，单位为度(°)。
通过函数计算可知，当x1＝L/2时(刀把面长度为加面后工作面长度一半)，刀把面回采面积S刀最大，
在其中一个实施例中，所述基于所述调斜切眼采用调斜开采方式开采所述边角煤区域，具体包括：
将调斜切眼弧形段对应的工作面作为调斜工作面，将调斜切眼直线段对应的工作面作为直线工作面；
将调斜工作面分割为一个或多个循环，在每个循环内进行多刀割煤，调斜工作面的每刀在工作面具有拐点，所述拐点的弯曲角度为调斜开采方式所采用的刮板运输机的刮板水平方向调整角度；
将直线工作面分割为一个或多个循环，在每个循环内进行多刀割煤。
本实施例将工作面分为调斜工作面和直线工作面，调斜工作面中每刀均调整角度。如图10所示。循环内每刀切割线必须平行于最后一刀切割线，而每刀切割之后必然在工作面出现拐点71、72、73、74，其中，在第一循环的拐点在调斜切眼6，在第二循环的拐点在第一循环的最后一刀切割线。每个拐点的弯曲角度不能大于工作面输送机允许的弯曲角度。同时，由于每个拐点的弯曲角度与整个切割循环的转角相等，因此每个循环的转角也不得大于工作面输送机设计允许弯曲的角度。直线工作面则采用现有的工作面工作方式，也可以将直线工作面分为多个循环，每个循环内设定固定的刀数。但直线工作面内每刀不改变角度。
在其中一个实施例中：
调斜工作面的每一所述循环内的刀数其中B为正规循环进尺，L为该循环的工作面调斜长度，α为每节刮板水平方向调整角度；
所述循环的数量N＝β/α，其中β为调斜开采角度。
具体来说，每个循环内调斜刀数按式(15)计算
式中：
m——循环内调斜刀数；
B——正规循环进尺，即采煤机截深，单位为毫米(mm)；
L1——该循环的工作面调斜长度，单位为毫米(mm)；
α——每节刮板水平方向调整角度，单位为度(°)。
每个调斜循环，工作面转角按式(16)计算
式中各符号含义同式(15)。
由式(16)可知，工作面调斜长度越大，每个循环内调斜刀数越多，每个循环内调斜转角越小。
4、调斜循环数
按照调斜设计，调斜循环数按式(17)计算
N＝β/α (17)
式中：
N——总循环数；
β——调斜角度，单位为度(°)；
α——每个循环的转角，即每节刮板水平方向调整角度，单位为度(°)。
在其中一个实施例中，所述在每个循环内进行多刀割煤，具体包括：
对于第p刀，采煤机由p点进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，支架工跟着采煤机拉架，推溜工将p+1点至机尾段运输机推出，使p+1点至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直，第p刀结束，其中，p点为第p刀在调斜切眼的端点位置，p+1点为第p+1刀在调斜切眼的端点位置；
对第p+1刀，采煤机端头正常进刀后，向机头割煤，到p+1点逐步由正常截深逐渐变为零，并空刀行走至p+2点机头侧，支架工正常跟机拉架，到p+1点时将支架与机头侧支架拉齐，推溜工将p+2点至机尾段运输机推出，使p+2点至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直，第p+1刀结束，其中，p+2点为第p+2刀在调斜切眼的端点位置。
本实施例提供双向割煤工艺。
在其中一个实施例中，所述在每个循环内进行多刀割煤，具体包括：
对于第p刀，推溜工将p点至机尾运输机推出，推移行程由零逐渐增大至最大行程，采煤机开始由p点进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，采煤机空刀返回至p+1点机头侧，支架工自机尾依次向机头拉架，第p刀结束，其中，p点为第p刀在调斜切眼的端点位置。
本实施例提供单向割煤工艺。
作为本发明最佳实施例，本实施例对于某一特定综采工作面，通过对比最大“刀把面”布置回采和调斜开采面积，确定是否采用调斜开采技术。若采用调斜开采，确定回采率最大化的调斜角度，并设计每个循环内调斜刀数、调斜循环数和调斜工艺，达到采用调斜开采技术实现回采率最大化的目的。
调斜开采方案设计包括调斜方式确定、调斜方案合理性分析及调斜角度确定、每个循环内调斜刀数和调斜循环数的确定、调斜工艺确定和调斜设计要求。具体如下：
1、调斜方式
综采工作面刮板运输机交叉侧卸式设计，因此，主要通过调整刮板运输机水平方向角度进行调斜，一般以工作面刮板运输机机头段为实心旋转机尾端。
2、调斜角度
在设备满足调斜开采要求的前提下，需对比采用调斜开采和刀把面开采两个方案对应的最大开采面积，若调斜最大开采面积大于刀把面开采，采用调斜开采工艺合理；调斜最大开采面积对应的调斜角度即为最大调斜角度。
综采工作面调斜工艺选择前，需考虑两个方面。一方面，需分析按照刮板运输机水平方向设计允许弯曲角度调斜时液压支架等能否满足调斜要求；另一方面，计算、对比调斜开采和刀把面开采最大面积，确定最大调斜角度。
(1)按刮板运输机水平方向设计允许弯曲角度调斜可行性分析
如图4所示，调斜开采时，刮板运输机调斜布置轨迹41和液压支架后尾调斜布置轨迹42是以O点为圆心的同心圆，且刮板运输机调斜布置轨迹41为外圆，液压支架后尾梁调斜布置轨迹42为内圆。因此，按照刮板水平方向设计允许弯曲角度作为每节刮板水平方向调整角度调斜时，必须保证液压支架后尾梁处不发生挤架。
由于液压支架后尾梁和刮板运输机为同心圆，如图5所示，每台液压支架一侧后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量x可按式(1)计算
/>
式中：
α——每节刮板水平方向调整角度，单位为度(°)；
x——每台液压支架一侧后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量，单位为毫米(mm)；
h2——刮板运输机与液压支架后尾梁间距离，单位为毫米(mm)。
图5中，h1为液压支架52一侧后尾梁处宽度，L为刮板运输机51处宽度。
根据设备配套可知运输机每节刮板水平方向调整角度；刮板运输机与液压支架后尾梁间距离＝液压支架长度-刮板运输机宽度-采煤机截深-液压支架梁端距，根据设备配套相关参数可以计算得出刮板运输机与液压支架后尾梁间距离。计算结果，只要每台液压支架后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量小于液压支架侧护板收缩量，即可说明按照刮板水平方向设计允许弯曲角度调斜可行。
目前神东公司液压支架宽度普遍为1.75m(其中侧护板收缩量为200mm)，郑煤机1-26G(2.6-5.5m)液压支架为长度最大的1.75m宽度液压支架，长度为8525mm。通过将数据代入式(1)可得，每台液压支架一侧后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量最大为104mm，小于液压支架侧护板收缩量200mm，说明按照刮板水平方向设计允许弯曲角度调斜可行。
(2)调斜合理性分析及调斜角度确定
①调斜开采面积计算
由于调斜开采区域为常规布置切眼、回风巷拐弯段、调斜切眼圈闭区域，为不规则区域，采用分割计算面积法，间接计算调斜开采区域面积S调，如图6和图7所示，S调可以按照式(2)计算
S调＝S1+S2-S3-S4-S5-S6 (2)
其中，式中各参数如图6、图7所示。
由图6可知，S1可按照式(3)计算
式中：
l——工作面调斜起始位置至机尾距离，即调斜起始位置63至常规布置切眼4与回风巷3交界点32的距离，单位为毫米(mm)；
β——调斜开采角度，其中，调斜切眼弧形段61对应的圆心角与回风巷弧形段31的圆心角均为所述调斜开采角度，单位为度(°)。
由图6可知，S2可按照式(4)计算
式中：
l1——机头至调斜起始位置的距离，即边角煤区域的边界保护煤柱线1与运输巷2交界点21至调斜起始位置63的距离，单位为毫米(mm)；
l——工作面调斜起始位置至机尾距离，单位为毫米(mm)；
β——调斜开采角度，单位为度(°)。
由图8可知，S3可按照式(5)计算
式中：
r——调斜切眼圆弧段半径，单位为毫米(mm)；
α——每节刮板水平方向调整角度，单位为度(°)；
β——调斜开采角度，单位为度(°)。
由图8可知，S4可按照式(6)计算
式中：
l1——机头至调斜起始位置的距离，单位为毫米(mm)；
θ——边界保护煤柱线1与常规布置切眼4之间的夹角，单位为度(°)。
由图8可知，S5可按照式(7)计算
式中：
l4——调斜结束位置至机尾段的距离，即调斜结束位置64至回风巷3与边角煤区域的边界保护煤柱线1交界点32的距离，具体为调斜结束位置64至回风巷弧形段31与边角煤区域的边界保护煤柱线1交界点32的距离，单位为毫米(mm)；
γ——工作面机尾段与边界保护煤柱线夹角，即调斜切眼直线段62与边界保护煤柱线1的夹角，单位为度(°)。
由图8可知，S6可按照式(8)计算
式中：
r——调斜切眼弧形段半径，其值按式(9)计算；
β——调斜开采角度，单位为度(°)；
l5——S5计算对应三角形直角边，其值按式(10)计算；
l3——S4计算对应三角形直角边，其值按式(11)计算
相应公式如下：
式中：l刮——每节刮板长度，单位为毫米(mm)；意义同式(5)。
l5＝l4tgγ (10)
式中参数意义同式(7)。
l3＝l1tgθ (11)
式中参数意义同式(6)。
根据式(2)-(11)，简化可得调斜开采区域面积S调的计算公式
l4值按式(13)计算
式中：
L——综采工作面长度，单位为毫米(mm)；
β——调斜开采角度，单位为度(°)；
α——每节刮板水平方向调整角度，单位为度(°)；
l刮——每节刮板长度，单位为毫米(mm)；
l1——机头至调斜起始位置的距离，单位为毫米(mm)。
对于某一特定综采工作面，参数L、l、l刮、α、θ、l1、l4均为已知数据，通过对式(12)求导，即可得出调斜开采区域面积S调的最大值S调max，并可得出调斜开采面积最大时对应的调斜角度β。
②刀把面开采面积计算
采用刀把面布置回收边界煤时，工作面布置如图9所示，刀把面开采区域面积S刀按式(14)计算
S刀＝x1x2＝x1(L-x1)tgθ (14)
式中：
L——综采工作面长度，单位为毫米(mm)；
x1——刀把面切眼5宽度，单位为毫米(mm)；
x2——刀把面推进长度，单位为毫米(mm)；
θ——边界保护煤柱线1与常规布置切眼4之间的夹角，单位为度(°)。
通过函数计算可知，当x1＝L/2时(刀把面长度为加面后工作面长度一半)，刀把面回采面积S刀最大，
对比调斜开采最大面积S调max和刀把面开采最大面积S刀max，若S调max>S刀max，配套设备能够满足调斜角度β要求，则因当选择采用调斜开采工艺，以提高煤炭资源回收率。
3、每个循环内调斜刀数
为确保调斜工作面按照设计推进，将调斜工作面分割成若干循环，每个循环由固定刀数组成，如图10所示。循环内每刀切割线必须平行于最后一刀切割线，而每刀切割之后必然在工作面出现拐点71、72、73、74，其中，在第一循环的拐点在调斜切眼6，在第二循环的拐点在第一循环的最后一刀切割线。每个拐点的弯曲角度不能大于工作面输送机允许的弯曲角度。同时，由于每个拐点的弯曲角度与整个切割循环的转角相等，因此每个循环的转角也不得大于工作面输送机设计允许弯曲的角度。
每个循环内调斜刀数按式(15)计算
/>
式中：
m——循环内调斜刀数；
B——正规循环进尺，即采煤机截深，单位为毫米(mm)；
L1——该循环的工作面调斜长度，单位为毫米(mm)；
α——每节刮板水平方向调整角度，单位为度(°)。
每个调斜循环，工作面转角按式(16)计算
式中各符号含义同式(15)。
由式(16)可知，工作面调斜长度越大，每个循环内调斜刀数越多，每个循环内调斜转角越小。
4、调斜循环数
按照调斜设计，调斜循环数按式(17)计算
N＝β/α (17)
式中：
N——总循环数；
β——调斜角度，单位为度(°)；
α——每个循环的转角，即每节刮板水平方向调整角度，单位为度(°)。
5、调斜工艺
综采工作面安装时，运输机处于推出状态，采煤机位于机窝处。调斜开采可采用双向割煤和单向割煤工艺。具体每个循环内调斜步骤如下：
(1)双向割煤调斜工艺
如图11至图15，斜线表示割煤。
调斜开采前，拽回工作面运输机，将采煤机调整至点81处。
第一刀：如图11，推溜工将点81至机尾运输机推出，推移行程由零逐渐增大至最大行程，采煤机开始由点81进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，支架工跟着采煤机拉架，推溜工将点82至机尾段运输机推出，使点82至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直，第一刀结束。
第二刀：如图12，采煤机端头正常进刀后，向机头割煤，到点82逐步由正常截深逐渐变为零，并空刀行走至点83机头侧，支架工正常跟机拉架，到点82时将支架与机头侧支架拉齐，推溜工将点83至机尾段运输机推出，使点83至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直，第二刀结束。
第三刀：如图13，采煤机由点83进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，支架工跟着采煤机拉架，推溜工将点84至机尾段运输机推出，使点84至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直，第三刀结束。
第四刀：如图14，采煤机端头正常进刀后，向机头割煤，到点84逐步由正常截深逐渐变为零，并空刀行走至实心点机头侧，支架工正常跟机拉架，到点84时支架与机头侧支架拉齐，推溜工将实心点至机尾段运输机推出，使实心点至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直，第四刀结束。
……
第m刀：如图15，采煤机由实心处进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，支架工跟着采煤机拉架，推溜工不推移实心至机尾段运输机，调整保证运输机平直，第p刀结束，此时循环结束。
后面每个循环以此类推，直至工作面完成最后一个循环。
(2)单向割煤调斜工艺
如图16至图20，斜线表示割煤。
调斜开采前，拽回工作面运输机，将采煤机调整至点81处。
第一刀：如图16，推溜工将点81至机尾运输机推出，推移行程由零逐渐增大至最大行程，采煤机开始由点81进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，采煤机空刀返回至点82机头侧，支架工自机尾依次向机头拉架，第一刀结束。
第二刀：图17，推溜工将点82至机尾段运输机推出，使点82至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直；采煤机开始由点82进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，采煤机空刀返回至点83机头侧，支架工自机尾依次向机头拉架，此时第二刀结束。
第三刀：图18，推溜工将点83至机尾段运输机推出，使点83至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直；采煤机开始由点83进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，采煤机空刀返回至点84机头侧，支架工自机尾依次向机头拉架，此时第三刀结束。
第四刀：图19，推溜工将点84至机尾段运输机推出，使点84至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直；采煤机开始由点84进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，采煤机空刀返回至实心机头侧，支架工自机尾依次向机头拉架，此时第四刀结束。
……
第m刀：图20，推溜工将实心至机尾段运输机推出，使实心点至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直；采煤机开始由实心进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，采煤机空刀返回至实心机头侧，支架工自机尾依次向机头拉架，此时循环结束。
后面每个循环以此类推，直至工作面完成最后一个循环。
6、调斜设计要求
(1)调斜角度较大时，各矿井调斜开采工作面必须采用水力压裂技术进行初次放顶，避免强制放顶前工作面整体向前推进难度大制约生产。
(2)调斜设计时，每个循环、每刀刮板运输机弯曲角度不得大于工作面刮板输送机允许的弯曲角度1°。
(3)调斜工作面设计时，须将机头侧距离切眼一定范围内的巷道加宽(根据经验数据，可加宽到6m)，为运输机向机尾窜动留一定的窜动空间，保证转载机与巷道正帮距离在合适范围之内，确保机头段正常过渡，如图21所示。
(4)靠近调斜切眼弧形段的回风巷必须进行拐弯设计，使工作面调斜期间处于等长，确保回采期间不增减支架。同时，适当增加回风巷宽度(根据经验数据，可加宽到6m)，以保证机尾安全出口宽度满足要求，如图21所示。
本发明通过模拟切眼调斜布置，间接计算得出调斜开采最大面积计算公式，并分析得出了“刀把面”布置回采最大面积计算公式，最终得出了综采工作面采用调斜开采的条件及调斜角度，为特定条件综采工作面调斜开采方案设计提供了理论依据。结合已有开采经验，提出了调斜设计要求，以为后期调斜开采创造良好的条件。调斜开采技术的应用，能够避免一次工作面安装，节约了搬家倒面费用，并保证了生产的连续性，缓解矿井产量压力。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种边角煤回收方法，其特征在于，包括：
获取边角煤区域的区域参数；
根据所述区域参数，计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积、以及计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积；
如果所述刀把面开采最大面积小于所述调斜开采最大面积，则确定调斜开采最大面积对应的调斜切眼，基于所述调斜切眼采用调斜开采方式开采所述边角煤区域，所述调斜切眼包括连续的调斜切眼弧形段和调斜切眼直线段；
所述计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积，具体包括：
对基于调斜开采角度的调斜开采区域面积公式对调斜开采角度求导；
计算在求导结果为0时的调斜开采角度，作为极值调斜角度；
将所述极值调斜角度代入所述调斜开采区域面积公式得到调斜开采区域面积公式的最大值作为调斜开采最大面积。
2.根据权利要求1所述的边角煤回收方法，其特征在于，所述根据所述区域参数，计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积、以及计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积，具体包括：
根据调斜开采方式所采用的液压支架的参数和调斜开采方式所采用的刮板运输机的参数，判断刮板水平方向调整角度是否满足调斜开采方式；
如果刮板水平方向调整角度满足调斜开采方式，则根据所述区域参数，计算采用调斜开采方式开采的调斜开采最大面积、以及计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积，否则不采用调斜开采方式开采。
3.根据权利要求2所述的边角煤回收方法，其特征在于，所述根据调斜开采方式所采用的液压支架的参数和调斜开采方式所采用的刮板运输机的参数，判断每节刮板水平方向调整角度是否满足调斜开采方式，具体包括：
计算刮板运输机与液压支架后尾梁间距离；
计算液压支架一侧后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量x，其中，h2为刮板运输机与液压支架后尾梁间距离，α为每节刮板水平方向调整角度；
如果液压支架一侧后尾梁处宽度较刮板运输机处减小量小于液压支架侧护板收缩量，则判断每节刮板水平方向调整角度满足调斜开采方式。
4.根据权利要求1所述的边角煤回收方法，其特征在于，所述调斜开采区域面积公式为：
其中：
L为边角煤区域的综采工作面长度，l为调斜起始位置至常规布置切眼与回风巷交界点的距离，β为调斜开采角度，α为调斜开采方式开采所采用的刮板运输机每节刮板水平方向调整角度，l刮为调斜开采方式开采所采用的刮板运输机每节刮板长度，θ为边角煤区域的边界保护煤柱线与常规布置切眼之间的夹角，l1为边角煤区域的边界保护煤柱线与运输巷交界点至调斜起始位置的距离，l4为调斜结束位置至回风巷与边角煤区域的边界保护煤柱线交界点的距离，所述调斜切眼弧形段对应的圆心角为所述调斜开采角度。
5.根据权利要求1所述的边角煤回收方法，其特征在于，所述计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积，具体包括：
计算采用刀把面开采方式开采的刀把面开采最大面积其中，L为边角煤区域的综采工作面长度，θ为边角煤区域的边界保护煤柱线与常规布置切眼之间的夹角。
6.根据权利要求1所述的边角煤回收方法，其特征在于，所述基于所述调斜切眼采用调斜开采方式开采所述边角煤区域，具体包括：
将调斜切眼弧形段对应的工作面作为调斜工作面，将调斜切眼直线段对应的工作面作为直线工作面；
将调斜工作面分割为一个或多个循环，在每个循环内进行多刀割煤，调斜工作面的每刀在工作面具有拐点，所述拐点的弯曲角度为调斜开采方式所采用的刮板运输机的刮板水平方向调整角度；
将直线工作面分割为一个或多个循环，在每个循环内进行多刀割煤。
7.根据权利要求6所述的边角煤回收方法，其特征在于：
调斜工作面的每一所述循环内的刀数其中B为正规循环进尺，L1为该循环的工作面调斜长度，α为每节刮板水平方向调整角度；
所述循环的数量N＝β/α，其中β为调斜开采角度。
8.根据权利要求6所述的边角煤回收方法，其特征在于，所述在每个循环内进行多刀割煤，具体包括：
对于第p刀，采煤机由p点进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，支架工跟着采煤机拉架，推溜工将p+1点至机尾段运输机推出，使p+1点至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直，第p刀结束，其中，p点为第p刀在调斜切眼的端点位置，p+1点为第p+1刀在调斜切眼的端点位置；
对第p+1刀，采煤机端头正常进刀后，向机头割煤，到p+1点逐步由正常截深逐渐变为零，并空刀行走至p+2点机头侧，支架工正常跟机拉架，到p+1点时将支架与机头侧支架拉齐，推溜工将p+2点至机尾段运输机推出，使p+2点至机尾推移行程由零逐渐增大至最大行程，并保证该段运输机平直，第p+1刀结束，其中，p+2点为第p+2刀在调斜切眼的端点位置。
9.根据权利要求6所述的边角煤回收方法，其特征在于，所述在每个循环内进行多刀割煤，具体包括：
对于第p刀，推溜工将p点至机尾运输机推出，推移行程由零逐渐增大至最大行程，采煤机开始由p点进刀向机尾割煤，割至机尾时达到采煤机最大截深，采煤机空刀返回至p+1点机头侧，支架工自机尾依次向机头拉架，第p刀结束，其中，p点为第p刀在调斜切眼的端点位置。
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