煤矿采矿工程巷道掘进与支护技术措施.pdf

202工程管理引言随着世界对能源的需求日益剧增，煤是最主要的能源之一，其在能源供应中扮演了关键的角色。在可再生能源快速发展的今天，可预见的将来，煤炭仍然是全球能源结构中不可或缺的一部分。在此背景下，煤矿采矿工程的研发与创新，对保证我国能源安全、提升煤炭产量具有重要意义。特别是在巷道掘进与支护领域，采用先进的技术措施不仅能够降低矿井事故的风险，还能提高煤矿开采工作效率，保障开采质量。一、研究背景截至2022年，全国煤炭总产量将达45.6亿吨。煤矿以井下开采为主，其数量占92%，产能占82%。而巷道掘进属于井工煤矿的主要生产内容与技术实施环节之一，是确保煤矿实现安全、高效、稳定开采的基础与主要保障。近几年来，随着工作面自动化和智能化开采技术的快速发展，工作面的生产能力和经济效益均得到了一定的提升，在此既要大幅度提高掘进速度，以适应回采工作面的迅速推进，又要减少掘进工作面操作人员数量，并逐步从少人化达到无人化。同时，需要改善掘进工作面作业环境，确保煤矿职工人身健康。二、煤矿采矿工程巷道掘进与支护技术实践措施1.掘进工作面自动化锚杆施工技术以锚杆施工自动化、智能化为核心，在煤矿采矿工程中突出掘进工作面自动化锚杆施工技术，主要围绕自动化、智能化发展方向为主，具体如下。第一，基于传统锚杆施工工艺进行自动化改进。中国煤科工太原研究所利用高压气体向井眼内注入树脂锚固剂，研制出了一种能实现钻孔、锚固剂输送和锚固件安装的自动台车。景隆重工业机械有限公司采用塑料套管，将锚杆和锚固材料形成了一体化操作模式，并通过锚杆将锚固剂送入孔中，并在此基础上开发出了自动锚杆台车，用于钻孔、加锚固剂和预加载，设有专用锚固装置。上述技术实现了钻孔、输送锚固剂、安装锚杆、搅拌及预紧等自动作业。在基于原有锚杆施工技术的改造无法改变传统工艺，且在实际运用过程中其效率并没有缩短，存在着塌孔、锚固剂入孔困难、因围岩片落造成的锚杆外露超长等问题，对此需发挥自动化技术优势完成工艺转变。第二，锚杆自动化施工的另一个方向是对传统施工工艺进行改变。该模式主要开发出一种新型钻锚一体化锚杆及配套施工工艺，该工艺采用了高强度无缝管，并在其前端嵌入一次性钻头。其主体采用高强度无缝管，并在其前端嵌入可丢弃的钻头。在钻箱驱动下，以锚杆为钻杆，逆时针方向转动钻孔，顺时针方向转动，旋入螺母，实现预紧。在此基础上，开发出了一种新的触变锚注材料，其是一种由 A,B两种成分组成，按11的比例将其混合在一起，使其具有触变锚注性能。这种锚注材料需经过原浆进入锚杆的尾部进行搅拌，并由钻头向井眼内流入，由此达到填充锚杆与钻孔间环形空隙效果。采用高扭矩和高转速的液压电机来实现大扭矩的预紧锚，达到了钻锚一体化的应用效果；在使用过程中，不需要多次更换施工机械，也节约了拆钻的时间，大大提高了施工效率；解决了钻孔塌方、锚固剂输送困难和因围岩片状物脱落而造成的锚杆露出过长而造成的锚固失效等问题，该技术在井下试验数据表明：单支锚固只需2分钟，可使施工进度提高至少一倍。2.高强度、低密度锚杆支护技术现有锚杆（索）支撑理论与技术具有高密度、慢速等特点，制约了该类型隧道的施工进度，并对隧道产生了持续的施工压力。针对这一现状，提出了高强度、低密度锚杆支护技术，具体如下。第一，锚固前后岩梁内力对比分析。在竖向加载条煤矿采矿工程巷道掘进与支护技术措施康永强山西坤龙煤业有限公司【摘要】依照文献对比法和理论分析法首先就煤矿采矿工程巷道掘进与支护技术实践措施进行了有关分析，其中包括掘进工作面自动化锚杆施工技术、高强度、低密度锚杆支护技术、超前临时支护技术、高地压厚煤层综采工作面端头及巷道围岩控制技术，其次提出了煤矿采矿工程巷道掘进与支护技术发展方向（智能化、自动化），以供参考。【关键词】煤矿采矿；巷道掘进工程；支护技术【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2023.15.068203工程管理件下，叠合岩梁和岩梁的最大张应力比值均低于1，而在锚杆支护条件下，最大张应力则低于叠合岩梁。岩梁层数、层高、厚度、弹性模量、垂直荷载与水平压力都是岩梁最大拉应力比值的主要影响因素。第二，利用锚杆支护巷道顶部，可增加梁岩之间的剪切强度，并使其形成一个整体，在相同载荷下，岩体梁挠度随层厚的增加而增加，其抗弯承载力则随层厚的增加而下降，而通过预加载可以有效地改善围岩的受力状态。通过减小顶板侧载和减小侧压系数，可达到对巷道围岩的优化控制效果。第三，锚杆锚索支护参数确定。在巷道顶面布置3根17股，直径6200mm的高强锚杆（断裂荷载不低于380kN，延伸率不低于3.5%），间距16001200mm，预 应 力 不 低 于 1 8 0 k N，采 用 W 型 钢，规 格42001803mm，在巷道两侧布置4根直径202200mm的无纵筋螺纹钢锚，间距11001200mm。顶角、底角的锚杆与帮边的角度为15，采用10#钢网，规格为4000803mm。第四，支护强度计算。在顶板稳定性较好的情况下，锚索对顶板有一定的轴向约束作用。第五，支护效果。其一，高强预应力锚索在顶板支护中的应用，可以使顶板支护速度提高一倍，并实现前部和后部注浆法并行施工。从而有效地解决了在复杂的地质情况下，隧道施工进度无法满足要求等难题。其二，结果表明，高强度、低密度的锚杆在一定程度上对围岩的变形有较小的影响。其中隧道最大变形为9.7毫米，对锚杆、锚索进行锚固试验，结果表明，树脂锚杆和灌浆锚索满足设计锚固力指标，为解决这一难题，既可增强围岩强度，又可充分发挥锚杆的锚定作用，最终形成一种高效率的组合梁。3.超前临时支护技术（1）前探梁架棚前探梁架棚是由吊梁夹具、吊环、前探梁钢管、木板等组成的一种临时支撑结构，结构较为简单。在实际应用中，必须在钢管内部垫上一块板子，由此避免在空顶区发生顶板落下伤人等情况。（2）悬臂式掘进机机载临时支护装置悬臂式掘进机的机载临时支护装置需要根据项目的实际特点和结构来进行使用。结合当下厂家所研发的结构情况，一般有两种结构类型：一种设在掘进机截割区段上，并藉由截割区段抬升和临时支承机构延展，实现的临时支承；另外一种是利用轨道将支架移至巷道顶面上，从而达到临时支护的目的。这两种临时支护形式均可在部分断面成巷中实现快速支护，且具有良好的稳定性，在此可合理提高巷道的支护强度，并且保证其工作的安全性，在减轻了工人的劳动强度之后，还可以提高巷道支护速度和开采效率等且掘进的机械化程度和掘进机效率均在该支护装置下得到了极大的提升。（3）掘锚机组临时支护装置掘锚机是一种适用于高产量高效率煤巷挖掘的综合性设备，在煤矿生产中占有重要地位。该掘进机是在连续开采和悬臂掘进的基础上开发出来的新型掘进机。其中，掘锚机是将开挖与支护有机地结合起来的设备，它包括四个顶板锚杆钻、两个边板锚杆钻，还有一个与之配套的临时护顶机构，在实践中，巷道和支护工艺可以采用相同的设备来实现，从而缩短了二者之间的相互转换时间。4.高地压厚煤层综采工作面端头及巷道围岩控制技术运用超前支护与末端支护相结合的方法，展开摸顶掘进全断面摸底开采工程，在该技术下可提升端口支护机构的支护高度、超前支护提前卧底、门式超前支护设备采用托架运输机进行移动等一系列措施，并且需将该技术运用的优势充分发挥出来，由此解决摸顶探查和摸底开采中存在的实际问题。并针对目前采用单柱梁、超前支架等超前支护方式所带来的劳动强度大、生产率低、施工困难等问题进行深入探究。第一，该技术通过一次采全高端头、高低式综放液压支架的一体化的支护模式，增加了采场的顶板高度，由原来的探顶工艺改为探底工艺，实现了对三角形煤层的直接开采。第二，门式超前支护成套设备，是将其拆分开来，用运输车辆和轨道交替向前移动，相对于传统的超前支护，该装置设备具有安装容易、安全系数高、推进速度快、劳动强度低的优点。采用这一工艺，有效地避免了大范围、反复支护等问题，确保了顶板在应力集中区域的完整性。第三，在复杂地质条件下，应用门式超前组合支架，以适应矿井开采的新要求，并在生产过程中，实现超前支护设备的移设，其中大型采煤机头采用二次支护装置，可迅速对裸露的顶板进行支护。采用此方法，不仅可以达到“无缝对接”，而且可以确保超前支护的安全、稳定。第四，对于托架平台，可利用千斤顶调节高度，360度任意旋转，提高移动和安装的安全性，便于搬运。这204工程管理种技术体系使用为可拆卸结构，它可以方便地拆卸，而且它还可以和支架一起向前运动，在超前支护段的前端进行循环布置，最终形成了可适用于复杂地质条件的支护技术体系和快速移架体系。5.膏体充填采矿支护技术第一，基本原理。膏体充填采矿支护技术主要是采用分级粗粒振荡筛的尾砂，对尾砂进行旋流脱水，从而实现粗粒尾砂的回收；利用细颗粒尾砂浆液的浓缩过程和以炉渣为基的胶结填料，对其进行充填；淤泥溢出后进行浓缩，在此可将其运用到生产系统回水工序内，最终达到了对低级矿石的无尾排放效果。第二，工艺流程。面对复杂的地质条件，在实际应用中，通常采用膏体密实充填法。该办法的主要流程为：将选矿尾砂，用水泵输送到新建浓缩机顶部的旋风器中，再经过旋流器分级，旋流器溢流进入到浆液浓缩机中，在最初的材料站中，在底部流动的情况下，执行泥浆浓缩；然后与水泥等材料进行搅拌，并采用自流方式将其填充至采空区；浓缩器排放的污水再返回到矿物分离中；其中一部分从旋风分离器的底流中被分离出来，并随浆料凝集器的底流一同被送进原始混合器。在此阶段还需将水泥类材料进行搅拌，形成细颗粒的尾砂水泥浆体，并输送到采空区，剩余的水泥浆体则流入脱水机，筛过后，达到干燥状态的沙堆则可进行堆砂运送，将过滤后的泥浆泵送到泥浆浓缩机，则可结束开采工序。三、煤矿采矿工程巷道掘进与支护技术发展方向结合上述提出的技术应用实施与技术类型，依据我国煤矿不同地质条件，突出巷道掘进与支护技术自动化、智能化发展方向，由此将掘进和支护工作从原来的依靠人工工作转变为完全的机械化、自动化和智能化，达到减少人力和提高效率的目的，具体技术发展展望如下：第一，基于智能化、自动化的煤矿采矿工程巷道掘进与支护技术需明确煤巷施工作业分为施工前的准备作业、施工中的监测作业和施工后的评估作业。在此阶段，需在开挖前的准备工作中明确常规地质力学测试与评价，并确保围岩稳定性、可掘性、可锚性分析，在有条件的情况下，可以使用一台与孔内物探仪器相匹配的千米定向钻机，对整个巷道或者是分段进行超前探测，从而达到将掘探与探分离的运用效果。第二，结合我国煤巷地质条件，基于智能化、自动化技术提出了5种掘进模式：超稳巷道采用“先采后支”和“掘支分离”方式；采用采支并行、分级支护的相对稳定性较好的巷道；在普通情况下，采用严格控制空顶间距，采支并行，分段支护的方式；非稳态巷道边采边支，适时支护；对于极不稳定的巷道，采用超前改造，随挖随采方式。在稳定性较好巷道中，应考虑使用掘进锚杆组合设备，使掘进支运并行进行。对于一般情况下，小断面隧道，可以使用小型掘锚机；在不稳定巷道中，可以使用带有有效临时支护的悬臂掘进机，并在此基础上，利用车载锚杆钻具进行支护。如上模式的运用均需要考虑到采矿开采技术对能源单位的形成见图1。图1各种采矿开采技术对能源单位的形成四、结语本文对煤矿采矿工程中巷道掘进与支护技术措施进行了全面的探讨与分析，希望能对煤矿的安全生产、提高煤矿的开采效益起到一定的指导作用。通过对当前隧道施工技术的介绍和对比，认识了各技术在不同地质情况下的适用范围及利弊。同时，在巷道支护技术方面，对不同支护形式的设计原则、施工方法进行了详细的研究，以期为煤矿采矿工程领域的可持续发展提供更多的支持。参考文献：1孙汝华.煤矿巷道掘进施工与支护技术探讨J.科学与财富，2021(18):47186.2李坤.煤矿大断面巷道快速掘进与支护技术研究J.机械管理开发，2021，36(8):209-210.3吴晓军.煤矿井下巷道掘进顶板支护技术研究与应用J.内蒙古煤炭经济，2021(2):64-65.4宗义江，朱栋，黄小忠，等.富水断层破碎带巷道合理掘进与支护技术J.江苏建筑职业技术学院学报，2021，21(3):1-5.5辛奇，刘春升，冯浩.煤矿大断面巷道快速掘进与支护技术研究J.内蒙古煤炭经济，2021(15):46-47.6颜建村.矿山巷道掘进与支护技术的应用J.内蒙古煤炭经济，2021(18):122-123.作者简介：康永强（1990），男，汉族，山西柳林县人，大专，中级工程师，研究方向：采矿工程（采煤、支护、安全管理等）。