大断面巷道破碎顶板支护优化.pdf

由于巷道受施工工艺、地质构造以及采空区等集中应力影响，巷道掘进期间频繁出现顶板下沉况、破碎，底板鼓起以及两帮垮落等现象，制约着巷道安全快速掘进，以隆安煤矿113 0 3 进风顺槽巷为研究对象，对巷道过应力区期间支护技术进行合理优化，提出了“永久支护优化+注浆+矩形钢棚”联合支护技术，控制了顶板变形现象，加快了巷道掘进速度。关键词：大断面巷道；破碎围岩；永久支护优化；注浆支护；钢棚支护中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3 X(2023)07-0179-02111303工作面概况晋能控股煤业集团泰山隆安煤业有限公司11303进风顺槽位于井田三采区西翼，巷道北为11号煤西翼集中回风下山，南为实体煤，东为原桥头镇办煤矿老空区，西为113 0 1采空区，上覆为原金义煤矿旧小窑采空区。11303工作面进风顺槽沿11号煤层底板掘进，巷道设计长度1112.7 5 m（平距），巷道采用矩形断面，掘进宽度5 m、掘进高度2.7 m，掘进断面面积13.5m；净宽5 m、净高度2.6 m，净断面面积13 m。煤层厚度1.1 2.8 m，平均2.4 m，煤层结构简单，煤层倾角2 8。直接顶为砂质泥岩、11上煤层、泥岩，平均厚度9.7m;其中砂质泥岩灰黑色、黑色，泥质结构，块状构造，含有粉砂质条带，平均厚度2.2 m。基本顶为砂质泥岩、粗砂岩，平均厚度17 m；其中砂质泥岩灰黑色、黑色，泥质结构，块状结构，含有粉砂质条带，平均厚度7.0 m。老底为泥岩、粗砂岩，平均厚度12.0 m；其中泥岩灰黑色，泥质结构，块状构造，平均厚度4 m。11303工作面两顺槽掘进期间预计共计揭露断层13 条，其中F89、F 9 2、F 9 5、F 9 6、F 110 断层导致巷道内同时揭露11号上组煤与11号下组煤，直接导致回采过程中11号上下组煤层之间的稳定砂质泥岩被破坏，导致回采期间顶板破碎及片帮情况频发，增加了顶板管理难度；断层附近顶板破碎，可能造成掘进期间顶板局部大面积冒落，甚至漏顶 1-3 2巷道原支护设计及问题分析2.1原支护设计1)11303工作面进风顺槽沿锚杆+锚索+金属网联合支护，顶板每排布置5 根锚杆，锚杆长度为2.0 m，锚杆间距为1.1m、排距为2.0 m，两角锚杆向外侧偏斜10，其余垂直顶板布置；每排锚杆外露端安装一根长度为5.0 mW型钢带。2)11303进风顺槽非回采侧采用 16 mm1800mm圆钢锚杆，钻孔深度1.7 5 m，；回采侧采用 2 0mm2200mm玻璃钢锚杆，钻孔深度2.15 m，帮锚杆距顶板0.8 m处开始布置，回采侧排距1.0 m，每排1根；非回采侧间排距1.0 m，每排2 根，垂直帮部布置。3)顶板锚索长度为4.0 m、直径为17.8 mm，距巷道中线0.9 m布置，间距1.8 m、排距2.0 m，2-1-2 五花布置，锚索垂直顶板布置；锚索托盘采用规格为300mm300mm16mm凹形钢托板。2.2原支护主要存在的问题1)顶板在应力作用下出现破碎，破碎区内裂隙高度发育，通过对应力区顶板施工深度为5.0 m窥视孔发现，在顶板网上3.0 m范围内岩体破碎严重，窥视孔孔壁岩体不完整且裂隙发育，在3.0 m以上顶板岩体完整性相对较好；而原顶板采用锚杆长度为2.0 m，锚杆采用端头锚固方式，每根锚杆采用一支MSZ23/60型锚固剂进行锚固，锚固有效长度为0.5 5 m，锚杆锚固力为19 0 kN，预紧力为3 0 0 Nm，锚杆锚固段位于不稳定岩体中，导致锚固以及预紧过程中锚固段岩体出现破碎落，降低了锚杆悬吊以及支护拱（梁）支护作用。2)原顶板钢带采用的是W型钢带，钢带宽度为0.22m、厚度为3.0 mm，钢带横向抗拉强度为4 5 7MPa，纵向抗拉强度为3 8 0 MPa，该钢带抗压强度小，在应力区支护时很容易出现撕裂现象；而且在应力区支护时W型钢带支护断面小。3)传统支护时同一排施工锚杆、钢带对顶板进行控制维护，而原顶板支护排距为1.0 m，当巷道在应力作用下同一排锚杆支护区域有限，相邻两排钢带之间无联锁支护作用，当相邻两排钢带之间岩体出现破碎垮落时，很容易造成邻近锚杆支护失效现象。收稿日期：2 0 2 2-0 8-0 9作者简介：李璋（19 8 9 一)，男，山西朔州人，毕业于东北大学采矿工程专业，本科，助理工程师，现就职于晋能控股煤业集团泰山隆安煤业有限公司生产技术科，从事生产技术管理工作。下转第18 3 页.180第3 8 卷机械管理开发4)原顶板支护的锚索长度为4.0 m、直径为17.8mm，而位于锚索锚固段存在一层厚度为0.6 m泥岩，在应力作用下该层泥岩容易出现离层现象，导致锚索支护失效；同时锚索直径小，在应力作用锚索容易出现破断现象，满足不了高应力围岩支护需求。3应力区联合支护应用3.1永久支护优化1)为了提高钢带抗压强度以及支护截面积，决定对原顶板W型钢带进行优化，采用长度为5.0 m、宽度为0.2 8 m、厚度为4 mm的 JW型钢带，钢带上布置6 个锚杆支护孔，孔间距为0.9 m，钢带布置间距为1.0mJW型钢带纵向承载强度为5 5 0 MPa，横向承载强度为5 8 0 MPa。2)顶板每排布置6 根长度为2.5 m、直径为2 2mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，待相邻三排锚杆施工完后在第一排钢带的端头锚杆外露端分别安装一根长度为2.0 m、直径为2 0 mm圆钢托架，另一端固定在第三排端头锚杆上，如图1所示。3)在第一排第二根锚杆上一端固定一根圆钢托架，长度为2.5 m，另一端固定在第三排第五根锚杆上，在第三排第五根锚杆与第五排第二根锚杆上同样固定一根圆钢托架，整体成迈步式布置，如图1所示。4)为了提高锚索支护质量，优化顶板锚索采用长度为8.3 m、直径为2 1.8 mm高强度预应力钢绞线，每排布置三根，锚索布置间排距为2.0 m，为了提高相邻两排锚索之间联锁支护作用，第一排第一根、第三根与第二排第一根、第三根锚索之间分别安装一根长度为3.0 m钢梁,第二排第二根锚索与第三排第二根锚索之间安装一根钢梁，如图1所示。JW型钢带锚杆圆钢托架托架孔钢梁锚索OO2000OOO011000p图1优化顶板锚杆索支护平面（单位：mm）3.2注浆支护巷道在过应力区围岩破碎严重，传统锚杆（索）支护无法有效支护时对顶板破碎岩体进行注浆支护。1)首先对应力区顶板施工一排注浆钻孔，钻孔深度为3.5 m、直径为4 5 mm，每排施工3 个，注浆孔布置间距为1.8 m，其中位于两帮侧钻孔水平角为30，所有钻孔布置仰角为2 0 2)注浆钻孔施工完后开始注浆,注浆液采用聚氨酯有机化学材料，注浆工序为安装注浆软管一安装封孔器一连接注浆泵注浆施工，注浆时注浆压力控制在2.0 MPa范围,单孔注浆时间为15 min。3.3架棚支护为了防止应力区顶板出现蠕动变形，导致顶板破碎、落等，应力区顶板永久支护及注浆支护施工完后对应力区架设矩形工字钢棚。1)应力区架设的工字钢棚主要由底座、地锚、棚腿、棚梁、连接杆、卡缆等部分组成，其中底座采用长度及宽度均为0.3 m、厚度为10 mm钢板焊制而成，底座两侧焊制两个直径2 5 mm地锚支护孔。2)棚腿长度为2.7 m，棚腿采用11号工字钢梁焊制而成，棚腿中部焊接两个连接套环，棚腿顶部焊制两个卡缆固定孔，底座与棚腿之间采用螺栓进行固定；棚梁长度为5.0 m，采用15 号槽钢焊制而成。3)先在巷道底板安装底座并采用地锚进行固定，底座安装后将棚腿与其固定，棚梁与棚腿之间采用卡缆进行固定，待钢棚安装后在棚梁与顶板之间采用水泥棚板进行填充，如图2 所示，钢棚架设间距为1.0 m，所有钢棚安装后在相邻两架钢棚棚腿之间采用连接杆连接固定。岩石层人凝固液断层破碎带楔支4注浆孔56水泥背板棚梁2棚腿3连接套杆11303进风顺槽棚腿地锚1一棚腿地锚；2 一连接套杆;3 一棚腿；4 一棚梁；5 一水泥背板；6一卡缆图2应力区巷道矩形钢棚支护4结语泰山隆安煤矿113 0 3 进风顺槽于2 0 2 1年4 月已掘进到位，巷道应力区长度为8 7 m，通过对应力区巷道围岩支护进行优化后，巷道在后期掘进过程中未出现顶板下沉、两帮破碎现象，实测顶板下沉量控制在0.14m以下，为类似地质条件巷道掘进提供了实践支护依据，取得了显著应用成效。参考文献1乔树培.寺河矿大采高回采巷道支护参数优化探讨 J.江西煤炭科技,2 0 2 2(3):4 8-5 1.2刘植宁.复杂条件下掘进巷道支护优化设计.西部探矿工程，2022,34(7):163-164.3郝文敏.综放开采回采巷道超前支护优化研究 J.煤，2 0 2 2，3 1(7):69-71.ersFi（编辑：王婧）上接第17 8 页y Saving Control SystemApplicatiof Fuzz（编辑：李俊慧）183.石晓涛：模糊PID在煤矿空压机节能控制系统中的应用2023年第7 期由实测数据可知，经工艺流程及控制策略改良，空压机系统总能耗下降了2 7 4.5 kWh，能耗减小约7.4%，节能效果较为显著。4结语本文针对传统矿用空压机控制系统存在的能耗较高问题，在工艺流程分析的基础上通过增设前端冷却除湿环节及旁通管有效降低了机组设备能耗，并提出了一种基于模糊PID的自适应空压机控制系统，通过模糊修正量实现对空压机排气口压力的实时自适应调节，进一步降低系统能耗。经实际测试，系统改良前后总能耗降低2 7 4.5 kWh，节能效果较为显著。参考文献1孙志强.煤矿空气压缩机节能与自动控制技术研究 J.山东煤炭科技,2 0 14(6)：110-112.2范高原.空压机智能控制系统的研究与应用 J.化工管理，2 0 2 1(25):139-140.3黄拓.空气压缩机PID节能控制 D.西安：长安大学，2 0 15.4吴思录.空压机转速波动分析与解决 J.化工机械，2 0 0 3（6）：365-366.5胡俊杰.空气压缩系统节能控制研究 刀.杭州电子科技大学学报,2 0 18(3):5 9-6 4.y PID in Coal Mine Air Compressor Energ)Shi Xiaotao(Shanxi Coking Coal Xishan Coal Power Ximing Mine,Taiyuan Shanxi 030052,China)Abstract:In view of the problems of unstable air supply,large fluctuation range of suction air and serious energy consumption in thetraditional coal mine air compressor control system,based on the study of the air compressor process and control scheme,the aircompressor process was improved by adding a surface cooler and a bypass pipe to cool down the air and increase the circulation volume atthe front and middle of the traditional process,which effectively reduces the energy loss in the air compression process,and The fuzzy PIDtechnology is used to control the air compressor to achieve adaptive adjustment of the air volume to reduce energy loss.Key words:air compressor;energy saving control;fuzzy PID;adaptive regulation托辊仿真有限元模型，并根据分析结果提出新型矿用带式输送机托辊结构优化设计方案。根据工程应用结果来看，此新型矿用带式输送机托辊结构优化设计方案具有较强可行性和应用价值，可在后续矿用带式输送机托辊结构优化中进行参考应用。参考文献1张传俊，张春芳，李艳华.基于带式输送机的设计及有限元分析系统模拟J.兰州文理学院学报（自然科学版），2 0 2 0，3 4（2）：6 9-7 22奚丽峰.带式输送机滚筒关键零件有限元分析.起重运输机械,2 0 2 0(12)：4 6-4 93李燕，毕建国.带式输送机机架的有限元仿真与结构模态分析J.机械管理开发，2 0 2 0,3 5（6)：5 0-5 2.4韩越，齐传刚.带式输送机改向滚筒有限元分析及系列化设计J.煤矿机电，2 0 2 2,4 3(2)：2 3-2 7.5王炎.基于有限元法的带式输送机传动滚筒受力分析与改进J.机械管理开发，2 0 2 13 6（11）：12 7-12 9inite Element Analysis and Structural Optimization of New Mining Belt Conveyor RollZhaiJianzhongZhai Jianzhong(Shanxi Xinyuan Coal Co.,Ltd.,Jinzhong Shanxi 045400,China)Abstract:Based on the structural characteristics of the mining belt conveyor rollers,a simulation model of the rollers is constructed,andthe optimized design of the rollers is proposed according to the analysis results.Based on the finite element method,the finite elementsimulation software was used to implement the finite element simulation analysis of the rollers from two perspectives,namely the rotatingparts of the rollers and the shaft of the rollers,and the optimized design scheme of the rotating parts of the rollers and the shaft of therollers were proposed respectively according to the analysis results.Key words:mining belt conveyor;carrier roller;finite element analysis（上接第18 0 页）4牛剑韬。不稳定围岩掘进巷道支护优化J山东煤炭科技，2022,40(5):78-79.5张照宇.矿井煤层巷道支护优化设计研究 J.机械管理开发，2 0 2 2,3 7(3):131-132;135.编辑：柴晓峰）Optimization of Fractured Roof Support in Large Cross-Sectional RoadwaysLi Zhang(Jinneng Holding Coal Group Taishan Longan Coal Co.,Ltd.,Xinzhou Shanxi 036600,China)Abstract:Due to the concentrated stresses in the roadway,such as construction technology,geological structure and mining area,the topplate sinking and breaking,bottom plate bulging and two gang collapse frequently occur during roadway boring,which restricts the safe andrapid roadway boring.The joint support technology of permanent support optimization+grouting+rectangular steel shed controls the topplate deformation phenomenon and speeds up the tunneling speed.Key words:large section roadway;fractured surrounding rock;permanent;grouting support;steel shed support