煤矿巷道快速掘进支护方案优化研究.pdf

优化改造andDevelopmentNo.7,2023ManagementMechanical2023年第7 期Total243机械管理开发总第2 4 3 期D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.077煤矿巷道快速掘进支护方案优化研究高子健（安化工集团王庄煤矿，山西长治046000)摘要：针对路安化工集团某矿S1301工作面回风巷原支护方案不能很好地控制巷道围岩变形的问题，以原支护方案为基础进行了改进优化，并对优化后的支护方案进行了数值模拟分析与现场试验。模拟结果表明，应用优化后的支护方案后，巷道顶板平均支护应力提高0.0 7 MPa，两帮平均支护应力提高0.2 2 MPa；经实际监测发现，应用优化后的支护方案后，巷道顶板移近量由原来的3 5 8.6 mm减小为3 3.6 mm，两帮变形量由原来的4 6 5.7 mm减小到了11.6 mm，新支护方案能有效控制围岩变形，取得了较好的应用效果，可为类似工况下的巷道变形控制提供参考。关键词：巷道掘进；支护方案；顶板；围岩；变形控制中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3 X(2023)07-0191-020引言近几年，由于我国科技不断进步，掘进设备持续发展，掘进速度不断持续提升，很大程度上缩短了工作面进行投产所使用的时间。工作面推进速度加快造成了煤层应力和工作面顶板环境变化，原支护不能使巷道快速掘进的所有需求得到满足，基于此，按照顶底板岩性的改变来优化调整支护参数，以潞安化工集团某矿S1301工作面为研究背景，经过优化原支护方案，提出适合于该回风巷掘进支护方案。1S1301工作面概况S1301工作面位置是在3 号煤层中，且煤层的厚度、煤层厚度的平均值、煤层倾角、局部倾角、煤层埋深、垂直应力分别是3.3 5 10.2 5 m、6.3 2 m、3 22、15、6 0 6.7 6 6 7.2 m、17.1M P a,其顶底板所具有的岩性较软，表1为该工作面顶底板岩性。2分析目前工作面支护的状况2.1分析目前支护参数的状况该工作面的回风巷的断面是矩形的，其宽和高分别是4 0 0 0 mm、3 2 0 0 m m，是顺着煤层顶板进行掘进的。1)用锚索和锚杆联合对巷道顶板进行支护，所使用的锚杆是无纵筋螺旋的、左旋的锚杆，规格是D22mm2000mm，相邻排之间的距离是10 0 0 mm、表1S1301工作面顶底板岩性顶底板名称岩性厚度/m岩性描述浅岩相变化大，半坚硬至坚基本顶中至细粒砂岩020.10硬岩灰至灰黑色，中厚至厚层状，直接顶泥岩0 7.5岩相变大3号煤层煤3.3510.25半亮至光亮型煤直接底砂质泥岩0 2.45灰黑色，中厚层状，软岩灰色，中厚至厚层状，半坚硬基本底中至细粒砂岩0.45 7.05至坚硬岩1500mm，进行锚固的是树脂药卷，且是两只；所使用的锚索规格是D18.9mm7300mm，相邻排之间的距离是1 0 0 0 mm、1 5 0 0 mml 1。2)左旋无纵筋螺旋锚杆对巷道两帮进行支护，锚杆的规格是D18mm1800mm,相邻排之间的距离是1000mm、15 0 0 m m，图1为回风巷支护布置示意图。D18.9xL7300锚索D20 L2000T140/28-3600左旋螺纹钢锚杆钢带D18L1800右旋等强螺纹钢锚杆6000001000100010000001009图1回风巷支护布置示意图（单位：mm）2.2分析原支护方案的成效控制巷道围岩变形发生是原支护方案无法实现的，当进行掘进操作时，常常会有两帮变形、顶板裂纹出现。由于要保证巷道掘进能够很好的实施，需要监测巷道围岩所发生的变形，表2 为S1301工作面巷道围岩变形量。原支护方案是有限的支护，导致有突出的巷道围岩变形，尤其是巷道两帮，就会影响巷道的掘进，所以，要优化设计其原支护方案。3优化巷道支护的参数3.1优化锚杆参数经过实测现场，得知回风巷道能够自稳平衡拱的表2 S1301工作面巷道围岩变形量监测部位巷道围岩变形量/mm巷道两帮465.7巷道顶底板358.6收稿日期：2 0 2 2-0 5-0 7作者简介：高子健（19 9 1一），男，山西长治人，本科，学士学位，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，助理工程师，研究方向为煤矿掘进工作。下转第19 8 页?192.第3 8 卷机械管理开发高度是1.9 m，且锚杆支护长度L要比自稳平衡拱所具有的高度要高。L=Li+L2+L3.式中：LI、L 2、L 3 分别代表的是顶锚杆的自由一端的长度、平衡拱的拱高、平衡拱的拱外长度，分别取0.1m、1.9 m,0.5 m。将数值代人式(1)得：L=2.5m。与此同时，以矿井的真实状况为基础，对锚杆的直径进行选定，所选定的直径是2 0 mm。按照对锚杆屈服强度进行测量,得知QB=65kN,在平衡拱中，锚杆所能承受的载荷最大是G=151.98kN，那么，1排所具有的锚杆数n是：2G(2)n=QB将相关数据代人式(2)得：n=4.67。所以，就能明确，顶板1排就有5 根锚杆。因为巷道有4 m的宽度，所以，锚杆排距是8 0 0 mm，按照矿井规格D20mmL2500mm，就能明确，每排锚杆的间距是1 4 0 0 mm。根据式(1）、式(2)计算结果，对锚杆的参数与间排距进行确定，分别是D20mmL2500mm,800mm、1 400 mm。3.2优化锚索的参数以式(3)为基础，对锚索长度L，进行计算：L,=L+Lp+Le:(3)式中：L、L b、L。代表的分别是直接顶的厚度、锚索露在外侧那端的长度与其自由端那侧的长度,取值分别是4.3m0.3 m、3.2 m。将数值代人式(3)得L=7.8m。4优化支护模拟分析由于要明确支护方案进行优化支护的成效，在本文中，对优化之前与之后的原支护的参数的效果进行了模拟与分析。原岩应力要比锚杆支护应力所具有的数量级要大，由于要对支护成效进行保证，在本文中，以零原岩应力为基础，来对支护参数进行模拟，表3就是围岩详细的参数。并且数值模型的长、宽、高分别是5 0 m、2 m、4 6.2 m，其分布几乎是水平的。巷道断面被设计成了矩形，高宽是3.2 m4.0m，在固定模型的底边的边界时，要和水平方向垂直，在固定其左右的边界时，要和水平平行。从原支护方案里，其巷道顶帮的浅部围岩的支护压应力的均值是0.16 MPa，而且支护应力的值随着逐渐深人而增大；其两帮区域中的围岩形成平均大小是0.74MPa的支护压应力，并且在两帮所分布的形状是弧状的。以下就是应该注意的，因为有机的支护体形成于两帮与顶板的围岩中，其应力顺着煤层底板逐渐表3数值模型岩层材料参数密度！体积模量剪切模量内聚力内摩擦角抗拉强度岩石类型(kg/m)/MPa/MPa/MPa/MPa基本顶2.300.002.650.001570.003.8042.006.52直接顶19500.003330.002280.004.0036.003.58煤1400.003820.002.220.003.0032.001.00直接底1 900.003.260.002.360.003.5032.003.62基本底2.200.002.680.001610.003.8042.006.52传递到深处，而且压应力由于深度的加深而上升。在优化支护方案之后，其巷道顶帮的浅部围岩所形成的支护压应力的范围要比原支护方案的要高很多，其平均值是0.2 3 MPa，而且两帮支护的平均应力是0.9 6MPa，其支护应力范围具有和原支护方案相同的分布特征，这就表明，在对支护进行优化之后，提高了支护的应力，使巷道围岩更加稳定了 2 5现场试验优化之后的支护参数在试验时，要验证优化之后的支护方案，就要把该方案使用到回风巷的5 0 m区域中2 0 d来进行试验并验证。2 0 d中对巷道的顶板移近量与两帮的变形量进行监测的所有数据如图2 和图3 所示。通过对图2 与图3 进行分析发现，在优化支护参数之后，可以很好地控制巷道围岩底板移近量与两帮的变形量，而且，顶板移近量与两帮变形量最大值分别是3 3.6 mm、11.6 m m，要比原支护方案中顶板移近量与两帮变形量最大值3 5 8.6 mm、4 6 5.7 m m 小很多，这就表示在对方案进行优化之后，可以很好地控制巷道围岩的变形。6结结语在本文中，优化了安化工集团某矿S1301工作405034567891011121314151617监测时间/d图2优化支护后回风巷顶底板移近量曲线12108642011234567 891011121314监测时间/d图3优化支护后回风巷两帮移近量曲线neMi上接第19 4 页）（编辑：王慧芳）上接第19 2 页(编辑：李俊慧.198.第3 8 卷机械管理开发(9):12-23.3王勇，王奇，朱世凡，等.钣金柔性生产线技术综述 J.新型工业化,2 0 19,9(1):5 2-5 7.4孟雷，臧华东.基于PLC的立体仓储控制系统及组态监控设计J.自动化技术与应用，2 0 10,2 9（9）：6 9-7 2.5 缪兴锋.浅析物流自动化立体仓储系统设计新技术 .物流技术,2 0 0 6(8):4 7-4 9.6王绍胜，程俊廷.基于柔性制造系统自动立体仓库的过程控制研究.组合机床与自动化加工技术，2 0 0 9（8）：5 7-6 0.PLC-Based Stereo Storage Control System DesignCheng Sheng(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Shanxi Energy College,Jinzhong Shanxi 030600,China)Abstract:The stereo warehouse is a modern production system of the collection and distribution,is an important link of flexiblemanufacturing inseparable.Aiming at the problem of rapid warehousing of workpieces in small automatic production lines,the method ofmechatronic system design is adopted,and the hardware design of the three-dimensional warehouse control system is completed through thecalculation of the selection of ball screws,servo motors and other equipment,and the design of the pneumatic circuit of the fork pneumaticdevice.According to the I/O port allocation table,control flow chart,programming and system simulation and debugging,completed thesoftware design of the three-dimensional storage control system.Key words:three-dimensional storage;ball screw;servo motor;control system面回风巷原支护方案，经过对支护参数进行优化，就可以对巷道围岩变形量进行进一步控制，而且两帮变形量与顶板移近量和原支护方案相比有很大幅度的下降。参考文献1徐祥.煤矿巷道掘进施工及顶板支护技术研究.当代化工研究,2 0 2 2(7):9 0-9 3.2赵红涛，张红军，侯华营，等.煤巷掘锚护一体化快速掘进支护工艺设计与应用 J.能源与环保，2 0 2 2，4 4（3）：6 2-6 5.StudyonOptimizationoeme for Coal Mine RoadwayofR:Tunneli01Gao Zijian(Wangzhuang Coal Mine of Luan Chemical Group,Changzhi Shanxi 046000,China)Abstract:In view of the deficiencies of the original support scheme of S1301 working face return wind lane in a mine of Luan ChemicalGroup,the original support scheme was improved and optimized on the basis of the original support scheme,and the optimized supportscheme was analyzed by numerical simulation and field test,the simulation results showed that after applying the optimized support scheme,the average support stress of the roof of the roadway increased by O.07 MPa and the average support stress of the two gangs increased byO.22 MPa.The simulation results show that after applying the optimized support scheme,the average support stress of the roadway roof isincreased by 0.07 MPa,and the average support stress of the two gangs is increased by 0.22 MPa,and after the actual monitoring,it isfound that after applying the optimized support scheme,the amount of the roadway roof shift is reduced from 358.6 mm to 33.6 mm,andthe deformation of the two gangs is reduced from 465.7 mm to 11.6 mm.The new support scheme can effectively control the surroundingrock deformation and achieve good application results,which can provide reference for the control of roadway deformation under similarworking conditions.Key words:roadway excavation;support scheme;roof;surrounding rock;deformation control2王永祥，谷文军.掘进机随机电缆自牵引装置的研制与应用 J.煤,2 0 15(5)：4 9-5 0.3李伟.新型电缆自主拖移装置的研制与应用 J.煤，2 0 15（18：47-48.4李权.掘进机电缆拖挂装置的改进 J.机电工程技术，2 0 2 0（6)：203-204.（编辑：王慧芳）odification and Application of Cable Traction Device for Coal Mine TunnelinggMachirSong Zhiwei(Shanxi Coking Xishan Coal Electric Tunlan Mine,Gujiao Shanxi 030206,China)Abstract:Based on the significant drawbacks of traditional cable traction devices in tunneling machines,such as severe ground draggingand high sliding friction resistance,the original cable traction device has been improved and optimized by designing tensioning devices andretractable fixed beam devices,which improves the applicability of the cable traction device and also improves the overall operationalefficiency of the excavation face.Key words:tunneling machine;towing device;tensioning device;self-traction cable