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        胡底煤業(yè)3#煤層底抽巷快速掘進技術研究與應用

        2021-05-13 08:30:40譚海龍
        山東煤炭科技 2021年4期
        關鍵詞:單體錨索錨桿

        譚海龍

        (山西晉煤集團沁水胡底煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048200)

        1 工程概況

        山西晉煤集團沁水胡底煤業(yè)有限公司為突出礦井,現(xiàn)開采位于山西組下部的3#煤層,煤層平均厚度5.72 m,平均傾角6°,煤層原始瓦斯含量和瓦斯壓力分別為25 m3/t、3.83 MPa。由于煤層瓦斯含量較高,故在巷道煤巷掘進前采用施工底抽巷的方式降低待掘區(qū)域的瓦斯含量,以確保巷道掘進作業(yè)的正常施工。底抽巷具體布置位置如圖1。

        3#煤層底抽巷沿5#煤掘進,掘進斷面為矩形,凈寬×凈高=4400 mm×3100 mm。頂板巖層為K6灰?guī)r和砂質泥巖,底板為砂質泥巖,支護方式為“錨網(wǎng)索”支護。為提升巷道掘進速度,特進行巷道快速掘進技術的研究。

        圖1 工作面底抽巷位置示意圖

        2 快速掘進技術

        2.1 掘進工藝優(yōu)化分析

        根據(jù)3#煤層底抽巷的層位及地質條件可知,目前3#煤層底抽巷掘進時采用掘支單行作業(yè),每個循環(huán)3 排,截割時間約為6~7 h,支護時間約為8~9 h。提升巷道掘進單行速度主要有三種措施,分別為提高掘進裝備水平、提高支護設備機械化、最大限度平行作業(yè)。但上述三種措施僅能夠在小幅程度上提升掘進速度,并無法大幅度實現(xiàn)掘進單行速度的提升。

        若是能實現(xiàn)截割和支護平行作業(yè),則會是整個工藝中最大效率的平行作業(yè)[1-3]。結合3#煤層底抽巷的具體地質條件,最終確定巷道新型的快速掘進工藝為“割矸+架棚(錨索)支護+滯后錨桿支護”。采用該種掘進工藝可實現(xiàn)掘進機割煤矸與巷道支護的平行作業(yè),達到提高單進水平的效果。

        2.2 滯后支護模擬分析

        為模擬分析錨桿補強支護與掘進工作面之間的合理滯后距離,采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,結合3#煤層地質條件,建立長×寬×高=100 m×46 m×41.8 m 的三維模型,模型側邊及底邊均作固定處理,頂部施加等效自重應力,為20.8 MPa,模型兩側水平應力施加為1.11 MPa,并結合3#煤層頂?shù)装鍘r層特征進行模型力學參數(shù)的賦值。

        設置錨桿支護滯后掘頭的距離為5~60 m 的范圍,滯后距離每增加5 m 進行一次模擬分析,基于數(shù)值模擬結果得出圍巖垂直應力及垂直位移情況如圖2。

        圖2 錨桿支護滯后掘進頭不同距離下垂直應力、位移

        分析圖2 可知,在距掘進頭20 m 處,頂板應力大幅增加到9.544 2×105MPa,增加了17.73%,增加幅度較大,而且在距掘進迎頭20~25 m 范圍內,頂板垂直位移突然增大,表明在該區(qū)域頂板變形嚴重,頂板載荷會向巷道兩幫傳遞。為防止幫部出現(xiàn)大面積松動或片幫,在距掘進迎頭20 m 至滯后錨桿支護范圍內的巷道幫部每2~3 排打一根中部錨桿,加強幫部支護強度。在距掘進迎頭60 m 處,巷道頂板應力大幅增加到1.409 2 ×106MPa,增加了42.06%,而且在距掘進迎頭55 m 處,頂板下沉量超過了200 mm。因此根據(jù)巷道頂板應力分布特征和垂直位移分析,大部分滯后錨桿支護沒能及時跟上,是造成巷道頂板變形嚴重、下沉量大幅度增加的原因。綜上,滯后錨桿支護距掘進工作面迎頭的距離不能超過50 m。

        錨桿支護滯后掘進頭50 m 時,巷道圍巖垂直應力及垂直位移云圖如圖3。

        圖3 垂直應力及垂直位移分布云圖

        2.3 掘進工藝安全性分析

        (1)頂板K6 灰?guī)r的穩(wěn)定性。底抽巷以K6 灰?guī)r為頂板,平均厚度1.8 m,深灰色灰?guī)r,巖石致密堅硬,普氏系數(shù)約6~8,頂板完整性好,采用架棚工藝可以有效結實頂板,保證頂板受力均勻[4-5]。

        (2)架棚支護的可靠性。采用“單體柱+π型梁”一梁兩柱架棚支護,單體柱初撐力不小于12 MPa,棚與棚之間采用拉鉤聯(lián)鎖,每一列單體柱采用鋼絞線聯(lián)鎖,每一根單體柱加設防倒繩,同時按照原設計每兩排打兩根Ф22 mm×6300 mm 錨索,錨索預緊力不小于250 kN,保證了架棚支護段的頂板安全[6]。

        (3)滯后錨桿的及時性。滯后錨桿補強支護隨掘進及時跟進,距迎頭不超50 m,確保了補強支護的及時性,保證頂板支護安全可靠。

        3 快速掘進方案及效果

        3.1 巷道支護方案

        底抽巷采用錨網(wǎng)索支護,采用螺紋鋼錨桿,錨桿參數(shù)為Ф22 mm×2400 mm,頂板及兩幫錨桿間排距分別為1000 mm×1200 mm 和1100 mm×1200 mm;頂板錨索采用規(guī)格Ф22 mm×6300 mm 低松松弛鋼絞線錨索,間排距2000 mm×2400 mm;巷道表面鋪設10#鐵絲編織的金屬菱形網(wǎng),網(wǎng)片搭接長度100mm。錨桿預緊扭矩400 Nm,錨索預緊力250 kN。具體巷道支護方式如圖4。

        圖4 底抽巷支護方式示意圖

        3.2 快速掘進方案

        底抽巷快速掘進工藝流程,主要為:掘進機割煤矸與架棚、錨索支護同時施工,錨桿補強支護滯后掘進工作面50 m施工;快速掘進工藝施工工序為:割矸→架棚(錨索)支護→風筒側頂、幫角錨桿施工;平行作業(yè):在二運后錨桿補強支護→回棚。具體快速掘進工藝的各項要求如下。

        (1)時間要求:① 3 h 割2 排矸,1.5 h 架2 架棚,支護2 根錨索、4 根錨桿;② 早班、中班平行進行滯后錨桿支護,每班4 排。

        (2)割矸工序:進刀→截割→修邊→成形。

        (3)架棚(錨索)永久支護工序:返托梁器→抬π 型梁上托梁器→上頂網(wǎng)(提前將鋼帶聯(lián)在網(wǎng)片上)并與π 型梁聯(lián)2~3 道→升托梁器、固定π 型梁、上兩側拉桿→π 型梁兩端升起單體柱(初撐力達到12 MPa)→用托梁器臨時支護升起第二排網(wǎng)片→施工頂部2 根錨索→放下托梁器臨時支護→鋪設風筒側幫網(wǎng)→施工風筒側頂角錨桿和幫角錨桿→聯(lián)頂網(wǎng)和幫網(wǎng)。

        (4)滯后錨桿補強支護工序:采用錨桿鉆車支護,支護頂錨桿→施工行人側幫角錨桿→鋪設行人側幫網(wǎng)→支護剩余幫錨桿,聯(lián)網(wǎng)與支護平行作業(yè)。補強支護距工作面迎頭的距離不能超過50 m,皮帶距幫不小于0.5 m,底角錨桿起錨高度不超過0.9 m,永久抽放管路距工作面的距離不超過60 m。

        (5)回棚工序:每天檢修班利用錨桿鉆車集中回棚,升起錨桿鉆車臨時支護與π 型梁接實→拆除π 型梁拉桿→將單體柱卸液→回收單體柱及柱鞋→降下臨時支護和π 型梁,離開頂板100 mm →升起鉆車平臺,距離π 型梁1.5 m →π 型梁兩側各站2 人,同時抬起π 型梁→將π 型梁放在指定地點。

        具體3#煤層底抽巷快速掘進工藝方式如圖5。

        圖5 快速掘進工藝示意圖

        3.3 效果分析

        1307 和1309 工作面底抽巷掘進時便采用新型掘進工藝,根據(jù)巷道掘進進尺記錄表,能夠得出巷道采用新掘進工藝后每月掘進進尺見表1。

        表1 底抽巷掘進效率表

        表1 可知,1309 工作面底抽巷采用快速掘進工藝施工時,6—11 月份平均單進水平為154 m/月,其中單進水平最高的月份為11 月,其數(shù)值達到211 m/月,相較于巷道原有掘進工藝105 m/月,掘進效率提升了100%,新型快速掘進工藝的平均單進水平提高47%,底抽巷掘進速度得到較大幅度的提升。

        4 結論

        根據(jù)3#煤層的賦存特征及底抽巷的布置層位,通過分析底抽巷采用掘支單行作業(yè)時的問題,確定新型快速掘進工藝為“割矸+架棚(錨索)支護+滯后錨桿支護”,并結合巷道支護進行快速掘進工藝的具體設計。根據(jù)掘進工藝的應用效果可知,掘進效率提高了100%,快速掘進工藝應用效果顯著。

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