掘锚一体机切眼大断面一次成巷掘进技术应用.pdf

12应用能源技术2022年第12期（总第300期）doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2022.12.003掘锚一体机切眼大断面一次成巷掘进技术应用刘爱云（鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司，鄂尔多斯017000）摘 要:针对30207运输巷掘进速率较慢的现状，该矿采用MB670型掘锚一体机施工，将 掘进与支护等工序同步作业，减少支护所需的时间，提高成巷速率。掘进后采用FLAC3D模拟不 同锚杆预紧力、数量、长度、排距及锚索长度时围岩应力分布情况,得到巷道采用预紧力60 kN、数量6根、长度2 000 mm、排距1 000 mm的锚杆及长度为6 300 mm锚索时支护效果最优。支 护参数优化后，通过数值模拟及现场监测的方法可知，最大应力值及围岩变形量较小，能够满足 巷道围岩完整性、稳定性的要求。掘锚一体机不仅提高了巷道的掘进速率，单月进尺由240 m 提高至400 m,还节约了经济成本，支护材料由3 299.4元/m减少至2 666元/m,降幅19.2%o关键词:掘锚一体机;应力；位移;掘进速率中图分类号:TD263.3 文献标志码:A 文章编号：1009-3230（2022）12-0012-06Application of One-time Roadway Excavation Technology of Bolt-mining Integrated MachineLIU Ai-yun(Ordos Yihua Mining Resources Co.,Ltd.,Ordos 017000,China)Abstract:In view of the current situation that the 30207-transport roadway has a relatively slow excavation rate,the mine adopts the MB670 type bolt 一 mining integrated machine for construction,which synchronizes the process of excavation and support,reduces the time required for support,and increases the speed of roadway formation.After excavation,FLAC3D was used to simulate the stress distribution of surrounding rock with different bolt preload,quantity,length,row spacing and anchor cable length.It is obtained that the support effect is optimal when the roadway adopts the anchor rod with the pre-tightening force of 60 kN,the number of 6 pieces,the length of 2 000 mm,the row spacing of 1 000 mm and the anchor cable with the length of 6 300 mm,the support effect is the best.After the optimization of the support parameters,it can be known through numerical simulation and on-site monitoring that the maximum stress value and the deformation of the surrounding rock are small,which can meet the requirements of the integrity and stability of the surrounding rock of the roadway.The bolt-mining integrated machine not only improves the excavation rate of the roadway,the monthly footage is increased from 240 m to 400 m,but also saves the economic cost.The supporting material is reduced from 3 299.4 yuan/m to 2 666 yuan/m,a decrease of 19.2%.Key words:bolt-mining integrated machine；stress；displacement；driving rate0引言近年来，随着我国机械化水平的提高，综掘收稿日期：收稿日期：2022-09-21 修订日期：修订日期：2022-10-15 作者简介：作者简介：刘爱云（1989-），男，本科，工程师，现从事煤矿 机电设备管理、智能化管理。机等设备在矿井得到了广泛应用。虽然综掘掘 进速率快,但其仅具有单一的掘进功能,支护占 成巷时间的比重大，造成巷道总掘进时间长，这 成为制约快速成巷的瓶颈1So因此，如何提高 2022年第12期（总第300期）应用能源技术13巷道的支护效率是当前快速成巷面临的关键问 题6-70掘锚一体机能够实现掘进与支护同步 施工，解决成巷过程中掘锚分离的问题，减少支 护所占用的时间，满足巷道快速掘进的要 求8-9o掘锚一体机在内蒙、陕西等一些煤层条 件较为简单的矿井已实现应用，大大提高了巷道 掘进速率，缓解了采掘接替紧张的局面 但掘锚一体机受地质条件影响较大，在巷道处于 高应力、软岩等复杂条件时，围岩易发生冒顶、片 帮等问题，限制了掘锚一体机的使用12-13o本 文针对母杜柴登煤矿巷道掘进速率较慢的现状，采用理论分析、数值模拟及现场实测等手段，对 掘锚一体机快速成巷工艺进行研究，大大提高了 巷道的掘进速率，为类似条件下巷道的快速掘进 提高了宝贵经验。1工作面概况母杜柴登煤矿30207工作面位于井田南翼中 部,302盘区东侧，主采煤层为3-1煤煤,设计采 高4.8 m,生产能力4.2 Mt/ao工作面设计长度 3 500叫宽度326叫走向南北，向302盘区西部 接续。煤层厚度为3.8-6 m,总体南部厚，北部 薄:煤层埋深为630.8-654.61 m,南浅北深;煤层底板标高在+631.1 +646.132 m之间，南 高北低;整体为单斜构造，工作面煤层倾角1 2。,煤层倾向为北西向，工作面回采将以小角度俯 采为主。煤层地质条件较为简单,顶板主要为粉 砂岩及细粒砂，底板主要为粉砂岩、砂质泥岩。矿 井钻孔勘探显示，以顶板砂岩含水层充水为主,20 m以下含水层富水性较弱,但水压较大。通过 疏放水钻孔将工作面顶板冒落裂缝带发育范围内 的含水层水疏放至不承压状态,减少采后涌水量,尤其是减少初次顶板垮落及周期性顶板垮落过程 中的涌水量，使工作面顶板水能够平稳泄出，保证 了采掘安全。30207运输巷掘进断面19.44 m2,采用锚网索支护，原支护参数见表10表表1 30207运输巷原支护参数运输巷原支护参数支护材料支护参数直径X长度（mm X mm）间排距（mm X mm）顶板锚杆（螺纹钢）022x2400800 x 900帮部锚杆（螺纹钢）22x24001000 x 900锚索（钢绞线）4)17.8x83001800 x1800WF托盘（预应力）WO x 130 x10锚索托板（钢）300 x300 x16角锚索托板1 000 mm长11#工字钢顶板网（虧钢筋网）C3200 X1200100 x100帮部网（計菱形网）3200 X120050 x50顶板钢带（W型）5200 x 250 x3帮部钢护板（W型）450 x 250 x52掘进施工工艺优化2.1原施工工艺30207运输巷原采用EBZ230型掘进机掘进,掘进机参数，见表2。表表2 EBZ230型掘进机参数型掘进机参数最大截割断面29 m2最大切割宽度6.2 m最大切割高度4.7 m最大卧起深度0.200 m适应切割煤岩硬度W85 MPa适应巷道坡度18履带接地比压0.17 MPa行进速度0 7 m/min截割功率230 k W系统压力23 MPa切割头型式纵轴式总机外形尺寸（长x宽x高）11.3 x3.2X 1.77 m巷道原掘进工艺受掘进与支护分离影响,成 巷速率慢，月进尺约240 m,造成矿井采掘交替紧 张。为提高巷道掘进速率，该矿提出采用掘锚一 体机提高成巷速率，缩短掘进与支护的时间，保证 巷道的掘进进尺满足回采需求。2.2掘锚一体施工工艺目前影响巷道快速掘进的主要因素是支护所 占用的时间，占成巷总时间的75%左右。为提高 成巷速率,30207运输巷采用MB670型掘锚一体 机施工,将掘进与支护等工序同步作业,减少支护 所需的时间,提高成巷速率，具体参数见表3。14应用能源技术2022年第12期(总第300期)表3MB670型掘锚一体机参数技术特征主要参数技术特征主要参数长X宽X高/mm11300 x4600 X2195离地间隙/mm260重量/t102行走速度/m-min-1可调 3.5、7.0、15 m/min总功率/k W546输送机速度m s12.2电压/V1140尾部旋转角/。左右45截割头宽度/m5.8滚筒直径/mm1150滚筒直径/mm2260 3450 mm滚筒转速/ms11.51截割高度/mm1400-4500频率/Hz50根据巷道围岩特性、掘锚一体机工艺特征,需 要巷道支护工艺进行优化,减少支护所占用时间，提高成巷速率。根据顶板岩层性质确定循环进尺,保证巷道 掘进的安全性。如果顶板完整性、稳定较好时，最 大控顶距不超过3 m,掘锚一体机施工时控顶距 为2 ni,并采用液压支架前探梁进行临时支护;如 果顶板完整性、稳定性较差时,需在顶板施工锚杆、锚索进行超前支护，并实行短掘短支。现场施工 占用的时间。单循环打6根顶锚杆、2根顶锚索,施工锚索同时，在两帮上部滞后补打1根锚杆、下 部打3根锚杆，滞后范围为迎头向外15 m段。3支护参数数值模拟3.1模拟方案采用FLAC3D数值模拟锚杆、锚索不同参数时 应力分布情况，确定巷道最合理支护参数。建立 100 m X 40 m X 30 m力学模型，垂直方向施加 8 MPa荷载,材料参数见表4。时，巷道两帮支护可以适当滞后补打，缩短支护所表4 30207运输巷材料参数岩层弹性模量/GPa泊松比密 ffi/k g-m-3抗拉强度/MPa内聚力/MPa内摩擦角/。细粒砂岩3.20.262 6001.26.444中粒砂岩3.20.262 6001.26.444砂质泥岩1.00.32 6000.23.2383煤0.150.361 3500.061.634砂质泥岩1.00.32 6000.23.238粉砂岩3.60.252 6001.37.6463.2模拟结果分析(1)锚杆预紧力在30207运输巷顶板、帮部分别布置6根和 4根22 X2 000 mm的锚杆，设计预紧力分别为 20、40、60和80 kN时应力分布情况，如图1所示。由图1可知，随着锚杆预紧力的增加,锚固范 围逐渐增大。当预紧力为20 kN时，顶板和两帮 预应力扩散范围小,仅在锚固段附近和锚杆尾部 0.5 m内扩散良好，围岩最大压应力值低。当预 紧力为40 kN时，预应力扩散范围仍较小,围岩最 大压应力仅为0.07 MPao当预紧力为60 kN时,预应力扩散至锚杆整个锚固范围，围岩最大压应 力为0.14 MPao当预紧力为80 kN时，预应力扩 散范围较好，围岩最大压应力为0.17 MPa。为了 提高支护强度，尽量增大锚杆支护预紧力，同时需 结合现场施工条件及成本等因素，建议30207运 输巷锚杆预紧力为60 kN。(b)40 k N(a)20 k N(c)60 k N(d)80 k N图1不同预紧力围岩应力分布情况2022年第12期(总第300期)应用能源技术15(2)锚杆数量在30207运输巷顶板分别施工4根、6根、8 根22 X2 000 mm的锚杆，预紧力为60 kN,应力 分布情况如图2所示。(a)4 根(b)6根(c)8 根图2不同锚杆数量围岩应力分布情况由图2可知,随着锚杆数量的增加，锚杆形成 的压应力逐渐叠加。虽然锚杆数量为4根、6根、8根时最大压应力值均为0.14 MPa,但锚杆间距 不同，应力相互叠加效果不同。当锚杆数量4根 时，应力相互叠加效果较差;当锚杆数量增加至6 根后,应力相互叠加效果明显,能形成较好的压力 拱;当锚杆数量增加至8根后，应力相互叠加效果 基本与6根相同。结合矿井施工条件及成本等因 素，建议30207运输巷锚杆数量为6根。(3)锚杆长度在30207运输巷分别布置直径22 mm,长度 分别为1 600,2 000和2 400 mm时应力分布情 况，预紧力为60 kN,应力分布情况如图3所示。(a)1 600 mm181(b)2 000 mm(c)2 400 mm图3不同锚杆长度围岩应力分布情况由图3可知，锚杆长度对围岩预应力扩散情 况影响较小,仅仅沿着锚杆轴线方向有一定影响O 对于锚杆长度的确定，应当在能保证围岩稳定性 的前提下,适当缩短锚杆长度。由于30207运输 巷围岩完整性、稳定性相对较好，建议30207运输 巷锚杆长度2 000 mmo(4)锚索长度在30207运输巷分别布置直径17.8 mm,长度分别为4 300、6 300和8 300 mm时应力分布情况,张拉力为150 kN,锚杆规格为(D22 X2 000 mm,预 紧力60 kN,应力分布情况如图4所示。(a)4 300 mm(b)6 300 mm(c)8 300 mm图4不同锚索长度围岩应力分布情况由图4可知,随着锚索长度的增加，减弱围岩 预应力扩散效果，与锚杆应力叠加效果相对较差。对于锚索长度的确定，应当在能保证围岩稳定性 的前提下,适当缩短锚索长度。由于煤层厚度较 大,巷道顶板煤层及砂质泥岩强度较低，建议 30207运输巷锚索长度6 300 mmo排距在30207运输巷分别设置锚杆排距为 1 000 mm,锚杆规格为22 x2 000 mm,预紧力为 60 kN,锚索规格为17.8 x6 300 nrn,应力分布 情况如图5所示。(b)帮部(a)顶板图5锚杆排距1 000 mm时围岩应力分布情况由图5可知，随着锚杆、锚索排距缩小,相邻 锚杆、锚索间压应力叠加效果好，但当排距减小至 一定程度后,对有效压应力扩大、锚索预应力扩散 变得不在明显。当锚杆排距1 000 mm时,围岩应 力场形成的最大应力值为0.14 MPa,相邻锚杆、锚索间应力叠加效果能够满足巷道支护需求,建 议30207运输巷锚杆排距1 000 mmo16应用能源技术2022年第12期（总第300期）4 支护参数确定 同参数时围岩应力分布情况,结合施工条件及成4.1支护参数 本等因素，对原巷道支护参数进行了优化,具体参采用FLAUd模拟30207运输巷锚杆、锚索不 数见表5。表5 30207运输巷优化后支护参数支护参数支护材料-直径X长度（mm X mm）间排距（mm X mm）顶板锚杆（螺纹钢）022 x2 000950 xl 000（中间间距 1 100 mm）帮部锚杆（螺纹钢）22 x2 0001 000 x 1 000锚索（钢绞线）017.8 x6 3002 000 x2 000锚杆托盘（预应力）0130 x130 x10锚索托板（钢）0300 x300 x12角锚索托板1 000 mm长11#工字钢顶板网（6钢筋网）3200 x1200100 x100帮部网（8#菱形网）3200 x 1 20050 x50顶板钢带（W型）5 200 x250 x3帮部钢护板（W型）450 x250 x5锚杆预紧力不低于60 kN,锚杆、锚索锚固力 均不低于15 t,支护示意图如图6所示。图6 30207运输巷支护示意图4.2优化后的支护模拟效果分析对30207运输巷锚杆、锚索支护参数进行优 化后，采用FLAFD模拟巷道围岩应力及位移分布 情况,验证支护参数能否保证围岩稳定性，应力分 布情况模拟结果如图7所示，位移分布情况模拟 结果如图8所示。由图8可知，对30207运输巷锚杆、锚索支护 参数进行优化后,巷道围岩应力和位移情况发生 了明显改善。垂直应力集中在巷道帮部,水平应 力集中在顶底板，最大垂直应力和水平应力分别 为10.92 J1.25 MPa,最大顶板下沉量、底鼓量及 两帮移近量分别为13、20和24 mmo根据模拟结（a）垂直应力（b）水平应力图7 30207运输巷围岩应力分布图（a）垂直位移（b）水平位移图8 30207运输巷围岩位移分布图果可知，巷道支护参数优化后，巷道围岩变形量较 小，在安全范围内。因此，优化后的支护方案能够 满足巷道围岩完整性、稳定性的要求。5现场效果检验对30207运输巷锚杆、锚索支护参数进行优 化施工后，通过监测巷道围岩变形量验证支护效 果，在监测的120 d内巷道围岩变形情况如图9 所示。2022年第12期(总第300期)应用能源技术17图9 30207运输巷围岩变形情况图由图9可知，在监测的120 d内，巷道围岩变 形量先增加后逐渐稳定,变形量主要集中在前7 d 内。根据监测结果可知，最大顶板下沉量为 45 mm,最大变形速率为15 mm/d；最大两帮移近 量为47 mm,最大变形速率为13 mm/d。支护参 数优化后有效提高了围岩强度,减小了围岩变形 量,支护效果较好,能够保证围岩稳定性。6经济效益分析(1)该矿采用掘锚一体机后,施工时间大大 缩短，平均单循环时间由90 106 min缩短至 5563 min,每天增加6个循环，日循环进尺由 8 m提高至13 m,单月进尺由240 m提高至 400 m。同时,减少施工人员，原13人可完成的任 务缩短至8人。(2)支护参数优化后，与原支护相比减少材 料的销号，支护材料成本由3 299.4元An减少至 2 666 元/m,降幅 19.2%o7结束语(1)针对30207运输巷掘进速率较慢的现 状，该矿采用MB670型掘锚一体机施工,将掘进 与支护等工序同步作业,减少支护所需的时间，提 高成巷速率。(2)巷道掘进后，原支护参数不足以满足掘 锚一体机施工要求，采用FLAC3D模拟不同锚杆预 紧力、数量、长度、排距及锚索长度时围岩应力分 布情况，确定最优支护参数。根据模拟结果可知，建议巷道采用预紧力60 kN、数量6根、长度 2 000 mm、排距1 000 mm的锚杆及长度为 6 300 mm锚索对巷道进行支护。支护参数优化 后,通过模拟巷道围岩应力分布及位移变化情况,得到最大垂直应力和水平应力分别为10.92、11.25 MPa,最大顶板下沉量、底鼓量及两帮移近 量分别为13、20、24 mm,巷道围岩变形量较小，能 够满足巷道围岩完整性、稳定性的要求。(3)支护参数优化现场施工后,通过监测巷 道围岩变形量验证支护效果。在监测的120 d 内，最大顶板下沉量为45 mm,最大变形速率为 15 mm/d；最大两帮移近量为47 mm,最大变形速 率为13 mm/d。支护参数优化后有效提高了围岩 强度,减小了围岩变形量,支护效果较好。(4)采用掘锚一体机不仅提高了巷道的掘进 速率，单月进尺由240 m提高至400 m,还节约了 经济成本，支护材料由3 299.4元/in减少至 2 666 元An,降幅 19.2%o参考文献1 李明科.国产智能薄煤层掘锚一体机设计与应用J.煤炭科学技术,2022,50(SI)：316-322.2 李祥勇.掘锚机在营盘壕煤矿2403胶带顺槽中的 应用J.内蒙古煤炭经济,2022(4)：127-129.3 李旭东.掘锚一体机切眼大断面一次成巷掘进技术 应用J.煤炭与化工,2022,45(2):15-18.4 李 杰.大断面切眼巷道掘锚一体机施工应用技术J.煤炭与化工,2022,45(2)：48-50,112.5 崔立德.掘锚一体机在复杂地质条件巷道掘进中的 应用研究J.机械管理开发,2021,36(12)：214-215,217.6 马小辉，王 冰，吕大钊，等.复杂地质条件下掘锚 一体快速掘进技术J.煤矿机械,2022,43(1):148-150.7 顾鹏翔.建新煤矿4209工作面煤巷快速掘进工艺 与围岩控制技术研究D.中国矿业大学,2021.8 耿阿康.掘锚一体机在特厚煤层中的应用研究J.内蒙古煤炭经济,2020(9):153.9 徐晓宏.基于多臂掘锚一体机的快速掘进应用研究J.煤炭技术,2020,39(1):168-170.10 董 庆,蔡志炯，赵 洪.掘锚一体机在特厚煤层大 断面回采巷道支护中的应用J.煤炭工程,2018,50(12):35-40.11 苏 鹏.掘锚一体机使用存在的问题及改进措施 J.煤炭与化工,2017,40(5)：88-90,94.12 王中亮.高瓦斯厚煤层掘锚一体机快速成巷技术与 工艺D.中国矿业大学,2014.13 宋作文，王志强，任耀飞，等.EBZ-150掘锚一体机 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