神东矿区首次成套智能化快速掘进系统过断层工艺研究.pdf

充煤黑豹杯参评论文49煤矿支护2023年第2 期神东矿区首次成套智能化快速掘进系统过断层工艺研究高奎英冯志忠（国能神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西神木7 1 9 31 5）摘要为了缓解采掘失衡、效率低、用人多、装备老旧化、施工工序多的问题，从而达到采掘有序接替、装备智能化、掘进快速化，实现矿井安全高效有序生产，针对掘进工作面过断层时存在安全隐患大、煤质差和粉尘浓度大等问题，提出了智能化掘进系统过断层工艺，得到：掘锚机锚杆转载机组带式转载机胶带输送机成套掘进装备，实现掘锚一体、锚运破一体掘进工序，提高支护效率、降低人工支护强度、减少支护产生的粉尘及设备移动频率。智能化集控操作系统由工作面集控中心、区队集控中心和调度集控中心构成，均可对掘锚机、锚杆转载机组、胶带输送机、局部通风机、除尘箱及配电碉室、照明、通信、摄像头和排水设施等设备进行远程控制。集控中心主要由5 G技术、传感器和摄像头对设备进行远程控制，实现自动割煤、行走、喷雾除尘等动作，达到“无人则安”境界。通过FLAC3D数值模拟软件对成套智能化掘进系统快速过断层处支护设计参数进行模拟分析，采用“圆钢锚杆十钢筋网十锚索十W钢带”联合支护的方式后围岩控制效果良好，对同类地质条件下快速过断层有一定借鉴意义。关键词掘进；过断层；掘进装备；智能化集控；数值模拟1引言随着煤矿往智能化、数字化、无人化发展，巷道掘进技术也迎来了二次发展，薛忠新1 介绍了掘锚一体机的快速掘进模式（掘锚一体机一锚杆转载机组一转载输送带集约化配套模式）和复杂地质条件下快速掘进模式（掘锚机一锚杆机一可弯曲带式输送机和迈步式自移机尾一智能化控制系统）；王虹 2-3 指出智能掘进主要面临的难题是装备成套性、掘进高效性、装备智能协同性，针对此类问题提出掘支运一体化、5 G连续采煤机等；张登山 4提出借助PSIMing系统平台搭接连采设备集控运行系统，对连采各设备实现远程控制；高强 5 提出了利用激光引导、负载敏感自适应和多传感器融合及5G技术实现连续采煤机远程智能化控制。掘进工作面过断层技术，常见的有田晓强 6 提出注浆十钢带十架棚的方式过断层；陈艾 7 提出导水一超前支护一注浆加固一支护的方式过复杂地质条件下的断层；马立强 8提出预掘巷道快速过断层的额方法；孔德91总结了过断层的各种技术及保障安全措施。断层的存在使得煤岩体上下结构面发生错动，在地层的构造应力和采动过程中发生的应力扰动的双重影响下，断层处的煤岩体容易出现应力集中的现象，导致底鼓、片帮、冒顶等事故的发生，影响了矿井的安全生产 1 0-1 。若在巷道过断层期间不能采取行之有效的掘进手段及支护方案，不仅掘岩粉尘浓度大，还会增加掘进设备故障发生的概率，进而影响下一步的回采工作 1 2-1 3O因此要根据断层实际情况来选择合适的掘进工艺和装备。本文以5 2 煤六盘区回风巷掘502023年第2 期煤矿支护进过F62断层为背景，对成套智能化快速掘进系统过断层工艺进行介绍，为更好的实现智慧化矿山建设，解决智能过断层重大技术难题提供了一定的技术支持。2工程概况大柳塔煤矿5 2 煤六盘区回风巷的总设计长度为1 9 8 2 m，巷道宽为5.4m，高为3.5m，巷道东侧为井田边界，南侧为5 2 煤六盘区实体煤，西侧为5 2 煤六盘区运输大巷，北侧为5 2 煤四盘区实体煤。5 2 煤六盘区回风巷设计在5 2 煤层中进行掘进，巷道的直接顶为泥岩，厚度0 2.8 m，直接底为泥岩和粉砂岩，整体上顶底板均属于半坚硬岩石，局部区域水稳性较差。掘进区域煤层为长焰煤（CY），煤层平均厚3.3m，属于稳定煤层，结构相对简单，底部有1 2 层夹研。根据现场实测资料显示5 2 煤六盘区回风巷二段在掘进至9 2 5 m处揭露F62断层，断层的落差为0.8 m，通过该断层后，继续向前掘进2.7 m后又揭露断层，导致工作面全岩，探底2.1 m为全岩，断层落差大于2.9 m，断层走向2 40，倾角7 0，断层附近煤岩局部破碎，顶板局部离层，断层面处有片帮现象。断层现场图与剖面图如图1 所示。卷道顶板3300.8m（粉砂岩、灰白色0.8#（炭质泥岩、黑色）0.8粉砂岩港高3.9 m2.2m（5 2 煤）L.3m（5 2 煤）港道联板H-0.8元H-2.1m头（3.1 6）图152煤六盘区回风大巷断层写实剖面图3月成套智能化快速掘进系统成套智能化快速掘进系统分别由MB670型掘锚机、MZHB7一1 0 0 0/30 PZ煤矿用锚杆转载机组和ZQ100/130/55（D）矿用带式转载运输机及智能化集控平台共同组成 1 4-1 5 。其中掘锚机负责割煤、自行装煤的工序；锚杆转载机组负责装载破碎和支护工作；转载机负责煤炭的转载和运输工作；智能化集控平台实现设备智能化、井下无人化和少人化、释放劳动强度 1 6-1 8 。装备配套关系图如图2 所示。图2智能化快速掘进系统配套关系图3.1MB670型掘锚机图3MB670掘锚机现场图山特维克MB670掘锚机是实现巷道快速掘进的关键设备之一，其截割滚筒的直径与连续采煤机的滚筒直径等长，该掘锚机的主要优点在于它独特的截割以及装载性能，使得掘进和打锚杆能够同时进行，提高了掘进效率。设备如图3所示。大柳塔煤矿5 2 煤六盘区回风巷二段掘进工作面，支护设计为顶锚杆6 套/m，帮锚杆3套/m，顶锚索2 套/3m。掘进过程中由掘锚机顶钻臂完成巷道顶板锚杆支护及锚索支护，由掘锚机侧钻臂完成两帮最上面2排锚杆支护，传统方式最下面一排锚杆由人工使用气动锚杆钻机进行支护（图4框出部分），工人劳动强度大、安全保障能力较低。而在使用智能化锚运破一体机后，原来所需51煤矿支护2023年第2 期人工进行支护的巷道两帮最下面一排锚杆改由锚运破一体机的后帮锚钻臂进行支护，提升支护效率，减少了工人劳动强度；掘锚机采用的湿式打眼可以消除因支护而产生的粉尘，优化了工作面的作业环境。同时使用锚运破一体机后，延皮带使用绞车，降低了移动设备的风险，减少了作业环节，提高了工作效率，并减少了掘进面的工作定员。（比例1:5 0 单位mm）30002010001000100100100锚杆锚索锚杆+冷拔丝网00S人工打设人工打设5400图452煤六盘区回风巷支护断面图3.2MZHB7一1 0 0 0/3 0 PZ煤矿用锚杆转载机MZHB7一1 0 0 0/30 PZ煤矿用锚杆转载机是在MB670型掘锚机的基础上研发设计的配套设备，该锚杆转载机可以将掘进过程中所需的各种功能一体化，例如：转载、破碎、锚索锚杆的支护以及履带行走等功能，设备图如图5 所示。其主要是由顶/帮锚工作系统、运输破碎系统、电气系统、液压系统等系统共同组成，采用了横向伸缩臂及可整体升降的工作平台，可以将锚杆和锚索以不同高度或角度进行机械化支护。图5锚杆转载机图掘锚机通过与锚杆转载机相连可以实现掘进和支护的平行作业，同时在转载机中增加了破碎装置，对大块煤岩体进行破碎，提高了运输效率。锚杆转载机组具有钻进功能全面、安全性好、工作效率高、工人劳动强度低等特点，特别是在巷道两帮不稳定的情况下使用锚杆转载机能够及时对两帮进行支护，极大提高了支护质量和支护效率。在地质情况较好的条件下，掘锚机只需在巷道掘进的同时对巷道顶板及两帮靠上位置进行支护即可，剩余锚杆锚索的施工均可由锚杆转载机完成，极大的减少了传统支护所需时间。3.3ZQ100/130/55（D)矿用带式转载机ZQ100/130/55（D）矿用带式转载机是锚杆转载机的配套设备，它布置在锚杆转载机和带式输送机之间，安装完成后可以实现巷道在掘进过程中包括切割、锚固、破碎以及运输等一系列程序的连续化机械作业。如图6 所示。带式转载机皮带的长度同日掘进长度所配套，每天只需要延伸一次皮带即可满足当日的掘进要求，为巷道的快速掘进提供设备支撑。图6带式转载机图3.4智能化集控平台通过在工作面、队办公室、调度配套智能化集控平台，实现了掘锚机、锚杆转载机组、胶带输送机、局部通风机、除尘箱及配电碉室、照明、通信、摄像头、排水设施等设备的远程监控控制，实现智能化、可视化、协同化集约化、远程化、无人化、的目的。各设备远程操控如图7 所示。集控中心主要由5 G技术、传感器和摄像头对设备进行远程控制，实现自动割煤、522023年第2 期煤矿支护主风机图7各设备远程操控图行走、喷雾除尘等动作，达到“无人则安”境界。智能化集控平台如图8 所示。图：智能化集控平台4成套智能化掘进系统过断层工艺及支护措施4.1掘进工艺52煤六盘区回风巷二段掘锚机割煤、装煤，带式转载机、带式输送机运煤，锚杆转载机组破煤支护，掘锚机支护。具体工序为：割煤（支护）一装煤一运煤一支护，实现掘、装、运、支平行作业。掘进过程采用随掘随支（掘1 m支1 m）的掘支方式，最小空顶距为2.7 m，最大空顶距为4.7 m，当遇顶帮破碎、裂隙发育、冒落严重、冒落高度大于5 0 0 mm时，循环进度不得大于0.5m，掘0.5 支0.5 m，最大空顶距为3.2m。过断层调整坡度掘进时，为防止桥式转载抗机尾、接顶板现象，掘进调整坡度不大于2，且过度长度不小于40 m。4.2过断层时巷道支护设计在断层区域进行支护时，巷道顶板采用“圆钢锚杆十钢筋网十锚索十W钢带”的联合支护方式。锚杆选用圆钢锚杆F（1 8 X2100mm），每排6 根，间、排距1 m，距两帮2 0 0 mm；每排布置2 根17.86500mm锚索，间、排距31.8 m，距两帮1.2 m；用5 2 0 0 1 1 0 0 mm的钢筋网全覆盖支护。顶锚索与长4.2 m的三眼W钢带（2.2 X2304200mm）联合支护，每排布置3根锚索，间、排距为2 m。断层区巷道的两帮采用“圆钢锚杆十冷拔丝”的联合支护方式。每排3根锚杆，排距1 m，间距自顶向底30 0 一1 1 0 0 一1 1 0 0 一1000mm，冷拔丝规格为4150150mm网格、尺寸为2 9 0 0 1 1 0 0 mm，单层冷拔丝网支护。支护平面图如图9 所示。正常段锚索支护运新层镭索护销家（2 1.6 6 5 0 0 mm）图9过断层锚索支护平面图4.3FLAC3D数值模拟依据大柳塔煤矿5 2 煤六盘区回风巷二段的实际掘进尺寸（宽5.4m、高3.5 m）和地质情况（煤层为长焰煤，直接底为粉砂岩，厚6.8 9.34m；伪顶为砂质泥岩，厚00.5 m；直接顶为细砂岩，厚3.8 5.66m；老顶为细砂岩和中粒砂岩，厚4.31 1.6 6 m），使用FLAC3D数值模拟软件构建了回风巷在F62断层影响下的数值模型1 9-2 0】，如图1 0 所示。F62断层处巷道断面的应力分布云图如图1 1 所示：53煤矿支护2023年第2 期FLAC3D5.00ca012nmcaCoteuineoru.in.ToneCorbrGroupAnym1图1 0FLAC3D模型构建FLAC3D5.00o2012 tascaCorsthirg Group,kcContourofZz-StressPeneonCaiclated byVolumetnc Averagrg-8.1200E+04-10000E-06-2.0000E-00-3.0000E-064.0000E-06-5.0000E-06-6.000-06-7000E+06-8:000E+08-9.000E+06-1.000E-07-1.1000E-07-12000E+07-1.300E+07-1.400E-07-1.4951E+07图1 1过断层断面的应力云图由图1 1 可以看出，在锚杆的锚固端形成了向外逐渐衰减的应力环；在顶板锚杆锚索的共同作用下，产生应力叠加区；在两帮锚杆的作用下，产生向外逐渐扩散的应力区域，在两者的共同作用下巷道的受力形式逐渐向三向应力状态过渡，最终形成了一定范围的应力承压拱，在断层处巷道的控制效果良好，避免了围岩在应力不平衡状态下所产生的次生裂隙，同时原生裂隙未发生明显扩展，提高了巷道整体的承压能力，并且锚杆与锚索并未达到自身强度的最大值，充分说明过断层期间的巷道是十分稳定的。断层处巷道断面的塑性区分布如图1 2所示，由图可以看出，断层处巷道塑性分布区范围较小，巷道两帮塑性区的宽度仅为0.71.0 m 之间，支护后两帮移近量在20mm左右，巷道的底板主要以拉伸破坏力为主，部分区域巷道底鼓量在2 0 0 300mm，并未达到塑性破坏的程度，这主要是因为巷道采用的联合支护对巷道围岩提供了大量的径向作用力，很大程度上削弱了巷道的剪切破坏力，提高了围岩的承载能力，保证了在外部应力扰动的情况下，仍能使围岩的残余强度保持在较大水平，使得塑性区内煤体基本处在锚杆与锚索之间的锚固区域，确保了巷道在过断层期间支护体系的长期稳定。FLAC3D5.00e2012mascaConsuaingGroup.hc.ZonePlaneonColorty State-AvorageNonesheer-n.sher-pshoer-PCabieCoortoyUnformUnifom图1 2过断层断面的塑性分布图4.4现场应用在5 2 煤六盘区回风巷道按照上文支护方案进行施工，巷道的日掘进进尺保持在6m/d，在过断层期间，通过顶板离层仪和巷道围岩观测，发现顶板累计下沉量在2 030 m m，两帮移近量为1 0 2 0 mm，巷道围岩较为稳定，且未出现冒顶和片帮事故，未同类型地质条件工作面过断层提供了一定借鉴意义。5结论成套智能化快速掘进系统由掘锚机、锚杆转载机组、带式转载机、胶带输送机及集控平台组成，实现掘锚、锚运破一体掘进工序，提高支护效率、降低人工支护强度、减少支护产生的粉尘及设备移动频率。搭建智能化集控系统。在井下工作面集控平台和队办公室及调度集控平台对掘锚机、锚杆转载机组、胶带输送机、局部通风机、除尘箱及配电室、照明、通信、摄像头、排水设施等设备的远程监控控制。成套智能化掘进系统快速过断层工艺。支护方式为“圆钢锚杆十钢筋网十锚索（收稿日期：2 0 2 3年0 3月2 1 日；责任编辑：吴建生）542023年第2 期煤矿支护+W钢带”，并通过FLAC3D数值模拟软件对过断层处支护设计参数进行模拟分析，发现围岩控制效果良好。参考文献：1薛忠新，张德生，张思瑞，等。快速掘进智能化成套装备进展与实用案例J 智能矿山，2 0 2 1，2（0 2）：32一35.2王虹，王建利，张小峰，掘锚一体化高效掘进理论与技术煤炭学报，2 0 2 0，45（0 6)：2 0 2 1-2 0 30.3王虹，王步康，张小峰，等煤矿智能快掘关键技术与工程实践 J煤炭学报，2 0 2 1，46（0 7）：2 0 6 8-2083.4张登山，任文清，梁占泽，大柳塔煤矿连采设备集控运行的研究及应用J 陕西煤炭，2 0 1 6，35（S1)：67-72.5高强，王军，高小强，等，连续采煤机远程智能化控制J工矿自动化，2 0 2 1，47（S1)：5 1-5 4.6田晓强掘进巷道过断层破碎带施工工艺研究J山东煤炭科技，2019(04):72-73+78.7陈艾复杂条件下大断面煤巷过断层技术J煤炭工程，2 0 1 1（0 4)：2830.8马立强，余伊河，金志远，等大倾角综放面预掘巷道群快速过断层技术J采矿与安全工程学报，2 0 1 5，32(01):84-89.9孔德煤矿掘进工作面过断层技术J 当代化工研究，2 0 2 1（1 1)：8384.10程亚东.7 _2 2 2 综采工作面过采边撤过断层煤炭自燃防治技术研究D安徽理工大学，2 0 2 1.11伊丽娟，赵洪，徐青云，巷道穿过断层影响破碎带支护技术研究J.煤炭工程，2 0 1 8，5 0（0 4）：48一5 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