中煤第三建设(集团)有限责任公司二十九工程处
摘要:为提高矿井巷道掘进速度,基于影响巷道掘进速度的主要因素,借助仿真分析法得出顶锚杆最佳支护排距,通过改进优化掘进机截割路径,找出来掘进机最佳截割路径,通过优化作业工序,得出可施行多工序平行作业的作业模式,实际应用结果表明,经综合应用这些高效掘进技术后,矿井支护时间可缩短16%左右,掘进效率可提高26%以上,同时所支护的巷道围岩也更稳定,有助于更好的保障矿井安全高效生产。
关键词:巷道掘进;锚杆排距;截割路径;工序
我国的工业化发展需要大量的能源来进行保障,煤炭是最重要的一种,其在社会经济的发展中发挥着十分重要的作用。在开采煤炭的过程中需要采取大量的支护及掘进操作,尤其是伴随着综采深度的增加,矿井下的地质条件越来越复杂,巷道围岩的稳定性也越来越差,当前为了确保巷道支护的稳定性,矿井大多通过增加顶锚杆的支护密度来实现,但是这种操作不仅会降低支护作业的效率,而且会增加支护作业的成本。在以往的掘进作业中,其首要步骤就是对巷道实施切割,然后再实施扩孔作业,巷道基本无法高效、高质量的成型,在掘进作业中大部分工作都需要采取串行操作的方法,这就对掘进工作的效率产生了一定的影响。为了分析掘进作业对巷道掘进效率产生影响的各个因素,通过运用FLAC3D模拟软件来进行模拟分析,其主要是针对顶板的支护方案来设计,明确了最恰当的顶板锚杆排距,降减少了支护作业所需的任务量和所需时间。根据掘进机开展截割作业的需求,本文提出了一种由上而下的截割路径,该路径呈现为“S”型,以此来完成掘进作业方式的改善。同时,通过对掘进作业的工序进行调整,掘进作业实现了多道工序并行的目标。通过实际应用,本次设计明显提升了掘进工作的效率和稳定性。
1顶板锚杆排距优化
在开展巷道掘进作业、实施顶板支护的过程中,锚杆排距将会对围岩的安全性及稳定性发挥着十分重要的作用。若排距相对较密,尽管能够提高围岩的稳定性,但同时也会导致支护所需成本的增加及支护效率的降低,因此,为了改善掘进工作的效率及质量,矿井首先就需要优化支护体系,在明确支护作业安全的条件下,尽可能提升支护作业的效率,降低所需成本。FLAC3D模拟分析软件具有一定的三维型,可以同时模拟分析岩石、土质及其他材料的三维结构的受力特性[3]。选择一些典型的掘进巷道结构来进行研究,该巷道的断面呈现为矩形,宽度和高度分别为6200mm和7900mm,巷道的顶板岩层为砂质泥,这种地质一旦遇水极易膨胀,导致顶板垮塌事件的发生,整体围岩不具备稳定的结构,在开展支护操作时,其顶板锚杆有着较密的排距,因此无法取得较好的支护效率。通过运用这个模拟软件来进行分析,从800mm、1000mm和1200mm三种排距中筛选出最佳的排距。在设定800mm的锚间距时,支护系统在矿压发生波动时的最大应力为38.6MPa;当设定1000mm的锚间距时,支护系统在矿压发生波动时的最大应力为53.90MPa;当设定120mm的锚间距时,支护系统在矿压发生波动时的最大应力为62.35MPa,因此,在矿压波动下,支护系统所受到的力会随着锚间距的增加而增加,同时也会越来越不稳定。在锚间距大于1000mm的时候,矿压波动下,其所受到的应力不会再出现较大的变化。从实践可以发现,两帮的移近量和顶板的下沉量均会随着锚间距的扩大而不断扩大,同时变形量也会急剧增长。由此可知,支护效果在间距为1000mm时为最佳。通过在矿井下进行实际应用发现,锚间距在完成优化之后,在维持其他条件不变的情况下,支护事件得到显著降低,而支护的安全性和效率显著提升。
2掘进机进刀方式及作业流程优化
在开展截割作业的时候,传统的掘进机首先需要截割出一个大致的巷道框架,之后再依据矿井的实际情况来进行调整,直到其满足了巷道的轮廓要求,在进行操作的时候存在极高的随机性,并且不断的修正会对掘进工作的效率产生较大的影响。基于此,提出了一种全新的截割路径,其形状为“S”形,截割作业首先会从巷道的下端来进行,之后在逐步向上进行截割,促使巷道掘进可以完成一次成型。在以往的掘进工作中,巷道之内的支护及掘进工作均采取串行方式来进行,只有支护作业完全结束之后,才可以进行掘进,两种作业相互分离,导致掘进机无法形成较高的开机率,进而对掘进工作的速率也产生了极大的影响。因此,对掘进工作进行优化,提出了一种平行作业的方法,这种方法可以有效提升掘进工作的效率及质量;通过对掘进作业的实际流程进行分析,本文提出了一种最终的优化方案,通过将迎头进行一定的滞后实现支护技术的弱化。在整个支护过程中,首先需要在稳定性较差的顶板和顶角部位来设定锚杆,然后在将滞后安装顶板锚杆,这一环节需要在掘进机滞后完成,不能对掘进机的运行产生影响,促使两项作业可以同时进行,使掘进机具备了较高的开机率,同时也可以实现多项作业的平行作业。通过具体实践显示,通过对截割方式进行优化及采取平行作业之后,掘进工作的效率和质量可得到显著提升。
3施工工序优化
传统掘进过程中,安装顶部锚杆以及帮部锚杆、掘进设备维护及延长同机电缆等工序在综掘面上采用3行的方式进行作业,保证了综掘面上的工作人员数量不至过多,但是也降低了巷道的掘进效率,在此基础上对于各个掘进工序进行分析,整个工作流程进行科学合理的布置,部分工序合并进行,完成了多工序平行作业的目标,显著提高了井下巷道的掘进效率。
4支护方案优化
传统的单锚杆支护方案中,相邻锚杆间排距为1000mm、1000mm,锚杆数量多、支护成本高、作业流程复杂,限制了掘进效率的提升,根据巷道的实际构造,提出使用锚网索支护+注浆加固方案。此外,为了保障巷道支护的牢固稳定,相邻锚杆间使用圆钢进行焊接,能够适应周期性的矿压波动。
5结语
在掘进工作中,因围岩存在较高的不稳定性,这就对其效率产生了极大的阻碍。通过对高速掘进技术实施分析,运用仿真模拟的方法来明确最佳的顶锚杆间距,同时对掘进机的截割路径进行优化、采取多道工序并行的操作等来提升掘进工作的效率,通过实践显示:
1)当选择1000mm作为锚间距时,其支护作业可以取得最佳的效果。根据具体实践可以发现,在对锚间距进行优化之后,在其他条件维持不变的时候,支护时间得到明显降低,而支护的效率及安全性得到显著提升。2)在截割路径得到优化的条件下,截割作业首先会从巷道的下端来进行,之后在逐步向上进行截割,促使巷道掘进可以完成一次成型,由此来提升成型的效率及效果。3)通过对截割方式进行优化及采取并行作业之后,掘进工作的效率可以得到显著提升,且效率和质量也得到极大提升。
参考文献
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