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煤巷快速掘进支护一体化施工技术研究∗
2019-02-18
面对薄煤层情况下的采掘接替困难的现象,主张加强机械化成巷技术研究。对此,以 石圪台煤矿22上206 工作面煤巷掘进与施工为研究对象,首先对连采机在22上煤层的应用可行性 进行论证,其次依托数值模拟工具FLAC3D 对连续采煤机在煤巷掘进中最佳的空顶距离进行多因 素分析,最终对数值模拟所得出的支护设计参数进行实践验证。研究结果表明:22上206 工作面采 用连采机进行回采巷道掘进更易发挥设备台效,当连续采煤机与锚杆机进行间隔交叉作业时,8 m 的煤巷空顶距离更易保证掘进效率。现场实测也表明:在巷道顶板安装5 根锚杆和2 根锚索的时 巷道顶板下沉得到控制(顶板下沉约25 mm)。
Serial No. 597 January. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 597期 2019 年 1 月第 1 期 ∗ 煤巷快速掘进支护一体化施工技术研究 王创业ꢀ 安树峰 内蒙古科技大学矿业研究院) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 面对薄煤层情况下的采掘接替困难的现象,主张加强机械化成巷技术研究。 对此,以 上 上 石圪台煤矿 22 206 工作面煤巷掘进与施工为研究对象,首先对连采机在 22 煤层的应用可行性 3 D 进行论证,其次依托数值模拟工具 FLAC 对连续采煤机在煤巷掘进中最佳的空顶距离进行多因 上 素分析,最终对数值模拟所得出的支护设计参数进行实践验证。 研究结果表明:22 206 工作面采 用连采机进行回采巷道掘进更易发挥设备台效,当连续采煤机与锚杆机进行间隔交叉作业时,8 m 的煤巷空顶距离更易保证掘进效率。 现场实测也表明:在巷道顶板安装 5 根锚杆和 2 根锚索的时 巷道顶板下沉得到控制(顶板下沉约 25 mm)。 3 D 关键词ꢀ 煤巷掘进ꢀ FLAC ꢀ 巷道支护ꢀ 回采巷道 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2019. 01. 011 Research on Integrated Construction Technology for Fast Supporting of Coal Roadway Wang Chuangyeꢀ An Shufeng ( Institute of Mining,Inner Mongolia University of Science and Technology) Abstractꢀ Faced with the difficulty of excavation and replacement in the case of thin coal seams, this paper advocates the strengthening of mechanized roadway technology research. On this, the author took the investigation and research on the excavation and construction of coal roadway with 22 top 206 working face in Shigetai Coal Mine. First, demonstrate the feasibility of the continuous mining machine's 3 D application on the 22 coal seam; Secondly,based on the FLAC of numerical simulation,the multi-factor analysis of the optimal empty top distance in the continuous coal mining machine is carried out. Finally, practical verification of the support design parameters derived from numerical simulation. The results of the study finally show that: 22 top 206 working face continuous mining machine for mining tunneling easi- er to play equipment efficiency, when the continuous shearer and bolting machine spacing operation 8m coal lane empty top distance easier to ensure the efficiency of excavation;Secondly, on-site measurement also shows that the roof subsidence of the roadway is controlled when the roof bolts are installed on the roof of the roadway and the two anchor cables (the ceiling sinks about 25 mm). 3 D Keywordsꢀ Coal roadway excavation,FLAC ,Roadway support,Mining roadway ꢀ ꢀ 长期以来,回采巷道的掘进严重影响着工作面 进设备的研制。 如:上湾煤矿选用 12CM27-11D 型 连续采煤机实现了在 6 m×4 m 断面条件下,日进 的推进速度。 当工作面的回采巷道掘进速度无法满 足采煤的推进速度时,就会出现严重的采掘不平衡, 进而造成采掘接替困难,严重的影响矿井的日常生 产。 对此,众多学者及相关厂家加速推进对大型掘 [ 1-2] 163 m,双巷掘进月进尺 3 070 m 的佳绩 ;神火集 团采用悬臂式 EBZ160 掘进机实现了在薄煤层状况 [ 3-5] 。 为此,发展大断面状况 下日进 11. 15 m 的进尺 下的巷道掘进技术势在必行。 ꢀ ꢀ ∗国家自然科学基金项目( 编号:51464036,51564048);内蒙古 对此,石圪台煤矿依托“神东矿区 1. 7 m 以下 自然科学基金项目(编号:2015M0548)。 王创业(1976—),男,副教授,硕士,043700 山西省运城市垣曲 县东环花园南九楼。 薄煤层开采技术研究” 项目, 采用数值模拟软件 3 D 上 FLAC 计算工具对 22 煤层掘进及支护技术展开 4 9 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 上 探讨,最终研究结果表明:石圪台煤矿 22 煤层建 议采用 14CM09-11E 连续采煤机进行机械掘进成 巷,并通过锚杆机及其他装运设备快速地完成巷道 掘进的破煤、运煤及支护等工作。 (3)煤层顶板。 这是选用连续采煤机的首要因 素之一,一般要求顶板有较好自控性和可锚固性,而 上 石圪台煤矿 22 煤煤层和顶底板条件较好,从已揭 露的巷道来看,顶板悬露 8 m,仍不变形。 1 ꢀ 连采机快速掘进可行性论证 石圪台煤矿 22 206 工作面位于 22 煤二盘 上 (4)施工技术成熟性。 石圪台煤矿连采队伍成 上 上 熟,神东公司已购置各种型号的连采机逾 50 台 [6] 区,上覆 12 206 综采采空区。 工作面长 327 m,设 计采高 2. 0 m,推进长度 2 388. 2 m,采用走向长壁 综合机械化采煤方法。 回采巷道采用双巷布置,两 者之间的保护煤柱 15 m, 其中主运输 顺 槽 断 面 为 5. 4 m × 2. 4 m, 辅 助 运 输 顺 槽 断 面 为 5. 2 m 套 ,备件充足,优选已有设备,也可减少投资。 2ꢀ 连续采煤机空顶距离讨论 连续采煤机掘进工艺系统中,巷道掘进落煤、装 煤作业与巷道锚杆支护作业是由连续采煤机和锚杆 钻机 2 台不同的设备来完成的。 因此,连续采煤机 在完成了一定长度巷道的掘进作业后,必须调动转 移到另一个巷道作业,让锚杆钻机调入这段巷道来 完成锚杆支护作业,因此,它们必须是如此交叉作 × 2. 4 m。 针对回采巷道的掘进方式,结合石圪台煤 矿实际情况,相关部门提出了连续采煤掘进成巷和 掘锚一体化施工成巷 2 种方案,进行专项分析,后决 定采用连续采煤机配合其他装运设备进行掘进成 巷。 以下几点为选用连续采煤机掘进方式的相关理 [ 7-8] 业 。 而交叉作业也就意味着巷道掘进必定存在 一定的空顶距离,为了符合安全规程并且节省交叉 作业占用时间,现对连采机掘进最大空顶距离进行 分析。 结合神东公司安全规定,最大空顶距离不宜 超过 10 m 以及连采机最小作业空间 4 m 的要求,现 由: 上 ( 1)煤层倾角。 22 煤多为近水平煤层,赋存 条件稳定,而连续采煤机的理想条件为煤层倾角 0°以下。 2)煤层厚度。 过厚或过薄的煤层都将不利于 3 D 1 依托数值模拟 FLAC 对最佳空间距离(5 ~ 10 m) 进行探讨。 ( 上 发 挥 设 备 的 能 效, 22 煤 层 最 小 见 煤 厚 度 为 0. 72 m,最大见煤厚度为 2. 43 m,平均见煤厚度 为 1. 78 m,经过连续采煤机近一个月的实验,得出: 当煤层厚度大于 1. 5 m 时,连采队日进尺基本都在 在对探究最佳支护空顶支护距离的讨论中,依 据塑性区指标对巷道围岩顶底板的稳定性进行研究 说明,为此,通过调用不同计算状态下的巷道围岩塑 性区分布图进行对所研究的问题进行阐述,如图 1 所示。 3 0 m 以上,月进尺可达 1 050 m 以上。 图 1ꢀ 不同空顶距离状态下的围岩塑性区变化 ꢀ ꢀ 从图 1 所示塑性区发展轨迹可以看到:顶板方 性变形不断增大,边角处的破裂线不断向岩层内部 延伸,并最终在巷道底板下方 11 m 左右处贯穿,贯 穿后由于巷道未加支护(空顶距离 8 m 后),第二波 应力峰值进而继续作用这一破碎处区域的岩体,从 而最终在距离护巷煤柱较近的 2 个帮角区域处岩体 发生大规模的塑性变形。 向上基本按照空顶距离越长,塑性变形区域逐渐增 大的态势;两帮方向上的塑性变形基本不随空顶距 离的增大而发生改变;而在底板方向上,则空顶距离 越长,塑性发展区域越大,尤其在帮角区域处,由于 空顶距离增大,上方岩层转移下来的应力源源不断 地作用在帮角区域处,从而使的帮角区域发生的塑 上 因此,通过上方分析认为:22 206 工作面的回 5 0 ꢀ ꢀ 王创业ꢀ 安树峰:煤巷快速掘进支护一体化施工技术研究ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 1 月第 1 期 采巷道在掘进的过程中,其最佳空顶距离适宜在 8 m 左右,8 m 的空顶距离一方面保证了锚杆机的有 利作业空间,减少了连采机的 2 巷之间的来回往返 次数,进一步提高了工效;另一方面,数值模拟显示: 因地制宜,支护参数更加具有科学性,合作院校采用 正交试验方法,依托数值模拟工具对各因素进行了 上 多次试验,结果表明:22 206 工作面在采用锚索加 锚杆联合支护的形式,其具体支护设计见图 2 所示, 巷道顶板下沉量预计为 32 mm。 为了使的锚索与锚 杆更加耦合,锚杆应保持 100 kN 左右,锚索预紧力 矩应该保持 200 N·m(预紧力约 300 kN)。 8 m 的空顶距离有利于第一波矿山压力应力峰值的 释放,从而降低了支护强度,其也完全符合新奥法施 工支护的刚柔相济原则,对于降低锚杆支护密度,提 高经济效益有着积极的作用。 为了对支护手段的可靠性进行验证,石圪台煤 矿对回采巷道的顶板进行了大量的观测,其中巷道 位移采用表面位移监测,全段巷道共计 10 个监测 面,在每个监测断面的巷道顶板和两帮分别用喷漆 上 3 ꢀ 22 206 工作面双巷支护方案及工程实践 验证 上 ꢀ ꢀ 为了使的 22 206 工作面双巷的支护方案更加 上 图 2ꢀ 22 206 双巷顺槽支护设计(单位:mm) 或柱桩在中心点标记,然后不定期进行用测距仪进 行读取数据(如图 3),由于监测断面较多,在此仅选 出其中 2 个面的监测数据进行解析。 占据整体变形量的 70% 左右;在超前 30 ~ 50 m 范 围时,由于处于超前支承应力边缘,因此巷道变形量 处于波动范围,但总体还是较之有增长的幅度;当巷 道处于煤壁前方 50 m 以外的距离时,超前支承应力 由于离其较远,因此,巷道基本不受采动影响,此时 的巷道顶板下沉量多为掘进时期的下沉量,下沉总 体约 20 ~ 25 mm,与数值模拟实际结果趋于一致。 通过对图 3 分析观察发现:不同测点的巷道在 遭受采动影响时,巷道变形均呈现剧烈增加的态势, 其中,采动影响带来的超前支承应力影响可至煤壁 前方大约 50 m 左右,因此,从这一结论建议在实际 工作面生产过程中,超前 50 m 的端头巷道应该做加 强支护。 从整个巷道变形速率程度上分析,其在超 前工作面 30 m 左右距离时,新增变形量最多,基本 4 ꢀ 结ꢀ 论 上 1)石圪台煤矿 22 煤层回采巷道的掘进通过 ( 5 1 总第 597 期 现代矿业 2019 年 1 月第 1 期 采用连续采煤机掘进能够更好发挥快速掘进优势, 图 3ꢀ 采动影响时巷道变形 ◆ ■ —两帮; —顶板 [ [ [ 2]ꢀ 叶ꢀ 平,曹ꢀ 静,秦广鹏. 复合软岩顶底板大变形回采巷道快 速掘进技术[J]. 现代矿业,2012,27(5):9-11. 3]ꢀ 姜ꢀ 明. 岩巷快速掘进影响因素分析及工艺的优化[J]. 煤炭 科技,2012(4):31-33. 其无论在设备占有资金还是人员使用上均有着得天 独厚的优势。 上 ( 2)22 煤层在采用连续采煤机进行掘进时, 最佳空顶距离建议为 8 m,其对于发挥掘进优势,减 4]ꢀ 许兆星,刘ꢀ 洋. “三软”煤层快速掘进支护方法研究[J]. 煤矿 现代化,2009(6):26-28. 少辅助工序占有时间意义重大。 上 ( 3)22 煤层回采巷道的顶板在通过 2 根锚索 [5]ꢀ 曹品伟,陈ꢀ 飞,曹ꢀ 明. 薄煤层回采巷道快速掘进支护技术 J]. 现代矿业,2014,3(3):127-133. [ 和 5 根锚杆锚固后,顶板安全得到保证,实测结果显 示未收采动影响阶段巷道顶板下沉为 25 mm,超前 支承应力峰值作用的巷道下沉最大处将近 60 mm。 [ [ [ 6]ꢀ 田宏伟. 近距离煤层下层煤掘进巷道综合支护技术研究[J]. 能源与节能,2017(5):157-159. 7]ꢀ 曹ꢀ 军,孙德宁. 连续采煤机双巷掘进工艺及参数优化研究 [ J]. 煤炭科学技术,2012,40(5):9-13. 8] ꢀ 梁大海. 双巷掘进中 EML340 型连续采煤机的工艺参数探讨 J]. 煤炭科学技术,2010,38(5):100-103. 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ 1]ꢀ 翟新献,康全玉,李化敏. 分层综采回采巷道综合机械化掘进 技术研究[J]. 矿山机械,2003(8):6-7. [ ( 收稿日期 2018-06-28ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) ꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁꢁ 技术研究及应用[J]. 煤田地质与勘探,2018,46(S1):33-370. ( 上接第 4 页) [ [ [ 11]ꢀ 邱增强,刘志新. 无线电波透视法在探测隐伏导含水构造中 的应用[J]. 工程地球物理学报,2005(3):185-190. [ [ [ 7]ꢀ 蒋宗林,田永华. 综合物探技术在陷落柱富水性评价中的应用 [ J]. 煤炭科学技术,2015,43(11):139-142. 12]ꢀ 刘ꢀ 磊,赵ꢀ 兆,范ꢀ 涛. 无线电波透视技术探查陷落柱的应 用研究[J]. 物探与化探,2017,41(5):986-990. 8]ꢀ 邢修举,于景邨. 煤矿综采工作面突水水源瞬变电磁探测技术 及应用[J]. 能源与环保,2017,39(1):96-99. 13]ꢀ 刘ꢀ 勇,孟庆彪,史心全,等. 无线电波透视实测场强曲线差 异化分析[J]. 中国科技信息,2017(22):50-51. 9]ꢀ 姜志海,岳建华,刘树才. 多匝重叠小回线装置的矿井瞬变电 磁观测系统[J]. 煤炭学报,2007,32(11):1152-1156. 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