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燕子山煤矿煤巷快速掘进施工方案优化
2019-07-10
针对煤矿巷道快速掘进需求,以燕子山煤矿302 盘区5216 工作面巷道为研究对象, 采用Phase2 软件建立围岩数值计算模型,分析了不同支护参数下围岩的稳定性,运用多工序交叉 平行方法优化了最短迎头掘进方案,确定了锚杆最优间排距参数。实践表明,新施工方案不仅能保 证了围岩稳定,而且显著提高了巷道掘进速度。
Serial No. 602 June. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 602期 2019 年 6 月第 6 期 燕子山煤矿煤巷快速掘进施工方案优化 秦莉波 同煤集团燕子山矿) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 针对煤矿巷道快速掘进需求,以燕子山煤矿 302 盘区 5216 工作面巷道为研究对象, 采用 Phase2 软件建立围岩数值计算模型,分析了不同支护参数下围岩的稳定性,运用多工序交叉 平行方法优化了最短迎头掘进方案,确定了锚杆最优间排距参数。 实践表明,新施工方案不仅能保 证了围岩稳定,而且显著提高了巷道掘进速度。 关键词ꢀ 快速掘进ꢀ 方案优化ꢀ 数值分析ꢀ 支护密度 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 06. 030 Optimization of Fast Excavation Scheme for Roadway in Yanzishan Coal Mine Qin Libo ( Yanzishan Coal Mine,Datong Coal Group) Abstractꢀ According to the rapid excavation demand of coal mine roadway,the roadway of 5216 working face in 302 section of Yanzishan Coal Mine was taken as the research object. The numerical cal- culation model of surrounding rock was established by Phase2 software. The stability of surrounding rock under different supporting parameters was analyzed. The method optimizes the shortest heading tunneling scheme and determines the optimum spacing parameter of the bolt. Practice shows that the new construc- tion scheme can not only ensure the stability of the surrounding rock,but also significantly improve the tunneling speed. Keywordsꢀ Rapid excavation,Scheme optimization,Numerical analysis,Support density ꢀ ꢀ 随着我国经济的飞速发展,煤炭需求量不断增 支护断面如图 1 所示。 加。 因此,在生产过程中需要不断优化现有工艺,进 而保障煤矿安全、高效生产。 对于巷道掘进方面,需 要不断优化掘进工艺,在保证安全的前提下优化支 [ 1] 护工艺,减少支护时间,提高掘进速度 。 本研究 # 以燕子山煤矿 3 层 302 盘区 5216 工作面为研究对 象,通过数值模拟分析了不同参数下的支护效果,并 运用多工序交叉平行法优化了最短迎头掘进方案。 1 ꢀ 当前快速掘进支护工艺分析 一方面,低密度支护会降低安全性;另一方面, 高密度支护能够提高支护可靠性,但会增加成本,并 降低掘进速度。 因此,对巷道支护参数进行优化设 计显得尤为重要。 燕子山矿支护设计初衷是保障高 可靠性,支护密度相对较大,导致掘进效率较低。 原 图 1ꢀ 5216 工作面巷道原支护设计(单位:mm) 1 . 1ꢀ 数值模拟方案 采用 Phase2 软件建立围岩模型,四周水平约 束,底边水平和垂直约束,添加垂直载荷,四面添加 [ 2] 水平力 。 通过研究不同锚杆间距和锚杆排距来 ꢀ ꢀ 秦莉波(1991—),男,助理工程师,037000 山西省大同市城区西 比较围岩支护效果,试验方案如表 1 所示。 环路北馨南园小区。 1 15 总第 602 期 现代矿业 2019 年 6 月第 6 期 表 1ꢀ 数值模拟方案 m 1. 2ꢀ 数值模拟分析 巷道围岩体积应变分布如图 2 所示,图中黑色 试验方案 锚杆排距 0. 8 锚杆间距 0. 8 1 2 3 线段为锚杆。 由图 2 可知,3 种方案下巷道两帮塑 性变形区大致一致,但顶板的塑性变形区范围与巷 道锚杆间排距呈现正相关。 1. 0 0. 9 1. 2 1. 1 图 2ꢀ 围岩体应变分布 ꢀ ꢀ 图 3、图 4 分别为 3 种情况下最大主应力(σ1 ) 在应力升高区,顶底板存在应力降低区,3 种方案应 力集中系数最大值分别为 1. 342,1. 345 和 1. 349, 由此可知支护参数对围岩应力改善作用较弱。 和最小主应力(σ2 )分布图,两者分别决定了岩石压 破坏和拉破坏。 由图 3、4 可以看出挖掘过程两帮存 图 3ꢀ 最大主应力分布 图 4ꢀ 最小主应力分布 ꢀ ꢀ 数值模拟结果表明,支护密度能够改变围岩塑 矿巷道掘进过程中过于追求可靠性,最大空顶距为 1. 3 m,即 1 个支护排距,使得支护交替次数过多影 # 响了掘进效率。 根据燕子山矿 3 层地质参数,煤层 性范围和围岩变形情况,但对围岩应力分布改变较 小。 方案 3 塑性区和围岩变形量较其他方案严重, 围岩稳定性降低,应首先排除。 方案 2 和方案 1 相 差较小,出于安全、成本以及劳动强度综合考虑选择 方案 2 支护参数。 平均厚度 3. 4 m,厚顶板位于 0. 4 m 顶煤上方,可以 计算出顶煤受压 0. 007 4 MPa,计算后得出最大空 顶距可达 5 m,综合考虑巷道顶板和两帮变形情况, 在无地质构造且顶板完整情况下最大空顶距优化为 2. 3 m,即 2 个支护排距。 2 ꢀ 快速掘进空顶距优化 最大空顶距对巷道掘进速度影响较大,燕子山 1 16 ꢀ ꢀ 秦莉波:燕子山煤矿煤巷快速掘进施工方案优化ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 6 月第 6 期 3 ꢀ 施工工艺优化 体作业时间,掘进过程可同步运输支护材料,检修工 作中也可同时对锚索、管路进行施工。 平行作业方 案如图 6 所示。 3 . 1ꢀ 支护工艺 通过分析燕子山矿巷道锚杆施工流程,临时支 护为独立式金属前探梁,操作困难,可使用机载式前 探梁。 同时可以使用前探梁将金属网及钢带托至顶 板,大幅度降低工人劳动强度并节省时间。 锚索长 度为 7 m,施工时间较长,可将锚索由生产班安装改 为检修班安装。 优化的巷道支护流程如图 5 所示。 图 6ꢀ 多工序平行作业方式 3 . 3ꢀ 作业循环优化 图 5ꢀ 巷道支护流程 循环作业方式对于快速掘进十分有效,该方法 [ 5-6] 。 采用四 3 . 2ꢀ 多工序平行作业 可以合理分配作业时间,提高生产效率 作业方式可采用平行作业方式,以减少工序干 六制循环作业方式,一班生产,同时进料、清理巷道; 二班检修,同时进行锚索支护;三、四班生产。 循环 作业表如图 7 所示。 [ 3-4] 扰,提升掘进速度 。 锚杆支护过程中,可同步检 修掘进机,既能增加机械设备的可靠性,又能减少整 图 7ꢀ 循环作业表 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 4 ꢀ 优化结果分析 通过优化施工方案后,合理确定了支护排间距; [ [ 1]ꢀ 王富林. 松软煤层采场前方支承压力分布特征及围岩控制研 究[D]. 焦作:河南理工大学,2012. 在保证安全的前提下降低了作业强度;最大空顶距 由 1. 3 m 升高到 2. 3 m,班组掘进支护排距增加了 1 个,掘进支护循环时间降低了 75 min。 优化后巷道 掘进速度明显提升。 2]ꢀ 张ꢀ 朋. 综采矿压显现规律与巷道支护效果数值模拟研究 [ D]. 包头:内蒙古科技大学,2011. [3]ꢀ 郝建生. 煤矿巷道掘进装备关键技术现状和展望[J]. 煤炭科 学技术,2014,42(8):69-74. 5 ꢀ 结ꢀ 论 本研究针对煤矿巷道快速掘进要求,对巷道支 [ [ [ 4]ꢀ 汪腾蛟. 新型高效单巷快速掘进系统应用及改进技术[J]. 煤 炭科学技术,2014,42(5):121-124. 护参数进行了优化设计。 以燕子山煤矿 5216 工作 5]ꢀ 朱现磊,杨仁树,宫全红. 大断面煤巷快速掘进影响因素及技 术优化[J]. 煤炭工程,2015,47(7):43-46. 3 D 面巷道为研究对象,采用 FLAC 软件建立数值模 型,分析了不同参数下的支护效果,综合对比确定了 锚杆最优排间距,并运用多工序交叉平行方法优化 了最短迎头掘进方案。 实践表明,采用新工艺后能 够显著提高巷道掘进速度。 6]ꢀ 王玉宝,单仁亮,蔡炜凌,等. 西山矿区煤巷掘进速度影响因素 因子分析[J]. 煤炭学报,2011,36(6):925-929. (收稿日期 2019-04-02ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) 1 17
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