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      硬巖巷開拓掘進(jìn)支護(hù)優(yōu)化及機(jī)械配套研究

      2023-01-26 10:11:14
      機(jī)械管理開發(fā) 2022年11期
      關(guān)鍵詞:錨索間距錨桿

      張 斌

      (山西西山礦業(yè)管理有限公司,山西 太原 030053)

      引言

      煤礦生產(chǎn)能力與巷道掘進(jìn)速度、巷道的成型質(zhì)量、采煤工藝及所配套綜采設(shè)備效率相關(guān)。目前,煤礦生產(chǎn)中巷道的掘進(jìn)效率與采煤效率不匹配是導(dǎo)致巷道生產(chǎn)能力得不到質(zhì)的提升的主要因素。受掘進(jìn)機(jī)械設(shè)備的配套不合理、掘進(jìn)工藝的設(shè)計(jì)不合理以及支護(hù)效果較差等因素,巷道掘進(jìn)效率和最終成型質(zhì)量并不能夠?qū)笃诿旱V生產(chǎn)能力的提升起到促進(jìn)作用[1]。本文將結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)對(duì)巷道掘進(jìn)工作面的支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化,并為其配置合理、高效的快速掘進(jìn)設(shè)備以保證巷道的快速掘進(jìn)和最終巷道的成型質(zhì)量。

      1 3 號(hào)煤層工作面概況

      本文以3 號(hào)煤層所屬工作面巷道的掘進(jìn)為例開展研究。經(jīng)探測(cè),該工作面的平均傾角為5°,所蘊(yùn)藏煤層的平均厚度為7.63 m,整個(gè)工作面的含煤比例為6.68%。本工作面巖層的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

      表1 3 號(hào)煤層所屬工作面關(guān)鍵參數(shù)

      3 號(hào)煤層所屬工作面的含水層主要為含裂隙含水層和石灰?guī)r巖溶裂隙含水層組。經(jīng)預(yù)測(cè)可知,該工作面的最大涌水量為0.5 m3/h。結(jié)合工作面的實(shí)際情況,該煤礦采用立井開拓的方式進(jìn)行開采,并設(shè)置有主井、副井和回井三個(gè)立井[2]。目前,該工作面巷道主要采用爆破掘進(jìn)方式進(jìn)行掘進(jìn),并采用手持風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行打眼。從整體上講,目前該工作面巷道掘進(jìn)主要表現(xiàn)為勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差、安全系數(shù)低等問題。而且,隨著巷道的不斷延伸直接影響整個(gè)工作面排渣、倒矸的能力。

      3 號(hào)工作面掘進(jìn)目前采用錨桿支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。其中,頂板錨桿采用直徑為22 mm、長(zhǎng)度為2 200 mm 的高強(qiáng)應(yīng)力扭矩錨桿進(jìn)行支護(hù),錨桿的間距為800 mm、排距為700 mm;兩幫采用直徑為20 mm、長(zhǎng)度為2 000 mm 的右旋全螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù),幫錨桿的間距和排距均為700 mm。對(duì)于當(dāng)前的支護(hù)參數(shù)而言,由于錨桿支護(hù)密度較大且頂部和兩幫錨桿的規(guī)格型號(hào)不一致導(dǎo)致支護(hù)實(shí)施的效率較低,工人的勞動(dòng)強(qiáng)度較大,其成為實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的主要制約因素。

      綜上,為實(shí)現(xiàn)該工作面的快速掘進(jìn)任務(wù),本文將通過對(duì)其支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化,并為其配套高效的機(jī)械設(shè)備以保證巷道的快速、安全掘進(jìn),并保證最終巷道成型質(zhì)量滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

      2 硬巖巷快速掘進(jìn)支護(hù)優(yōu)化

      硬巖巷道在掘進(jìn)過程中,受到開挖的影響,由于其圍巖應(yīng)力發(fā)生變化,巷道圍巖為達(dá)到一個(gè)新的平衡,頂板和兩幫巷道會(huì)出現(xiàn)一定的變形。當(dāng)變形處于不可控制范圍內(nèi)時(shí),極易導(dǎo)致事故的發(fā)生,嚴(yán)重影響巷道的掘進(jìn)任務(wù)。同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)巷道的合理化布置也可保證支護(hù)實(shí)施效率,為間接提高巷道掘進(jìn)效率奠定基礎(chǔ)。因此,本節(jié)將本著巷道圍巖變形控制在合理范圍并保證快速掘進(jìn)任務(wù)兩方面對(duì)支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化。

      2.1 支護(hù)方案的提出

      經(jīng)分析,3 號(hào)煤層所屬工作面頂?shù)装鍑鷰r條件比較穩(wěn)定且對(duì)應(yīng)的巖層平均硬度為5。因此,本節(jié)將采用懸吊理論對(duì)錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行合理化計(jì)算。

      經(jīng)計(jì)算可得:適用于3 號(hào)煤層工作面巷道支護(hù)的錨桿長(zhǎng)度為2 200 mm,錨桿直徑為22 mm,錨桿預(yù)緊力為60 kN;錨索直徑為17.89 mm,長(zhǎng)度為6 000 mm。

      為解決原支護(hù)方式下作業(yè)強(qiáng)度較大且效率低的問題,本文將采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù),并重點(diǎn)對(duì)錨桿間距和排間距進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)應(yīng)的三種支護(hù)方案如下:

      方案一:頂錨桿間距為1 100 mm,排距為800 mm;兩幫錨桿的間距為1 000 mm,排距為800 mm;錨索間距為2 600 mm,錨索排距為2 400 mm。

      方案二:頂錨桿間距為1 100 mm,排距為800 mm;兩幫錨桿的間距為1 400 mm,排距為800 mm;錨索間距為2 600 mm,錨索排距為2 400 mm。

      方案三:頂錨桿間距為1 400 mm,排距為800 mm;兩幫錨桿的間距為1 000 mm,排距為800 mm;錨索間距為2 600 mm,錨索排距為2 400 mm。

      2.2 優(yōu)化支護(hù)方案的確定

      為最終確定適用于3 號(hào)煤層工作面巷道掘進(jìn)的最終支護(hù)方案,本節(jié)將基于FLAC3D 軟件對(duì)不同支護(hù)方案對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)3 號(hào)煤層工作面的地質(zhì)條件和巖層的相關(guān)屬性建立如圖1 所示的模型。

      圖1 數(shù)值模擬模型

      如圖1 所示,所建立的數(shù)值模擬模型的高度為36 m,寬度為36 m,深度為40 m。根據(jù)地質(zhì)條件的應(yīng)力參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置,而后對(duì)不同支護(hù)方案下對(duì)應(yīng)頂板、兩幫的應(yīng)力進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如表2 所示。

      表2 不同支護(hù)方案對(duì)應(yīng)的支護(hù)效果對(duì)比 MPa

      如表2 所示,方案一對(duì)應(yīng)3 號(hào)煤層工作面巷道支護(hù)后頂板和兩幫豎直集中應(yīng)力的最大值均最小。因此,本工程選用方案一對(duì)掘進(jìn)巷道進(jìn)行支護(hù)。

      3 快速掘進(jìn)機(jī)械配套研究

      影響巷道快速掘進(jìn)的因素眾多,包括設(shè)備問題、工藝問題、管理問題和自然條件。本小節(jié)針對(duì)設(shè)備問題對(duì)3 號(hào)煤層快速掘進(jìn)設(shè)備的機(jī)械配套進(jìn)行研究。

      該工作面巷道主要采用爆破掘進(jìn)方式進(jìn)行掘進(jìn),并采用手持風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行打眼。為解決其效率低的問題,本工程將采用CMJ17HT 型的掘進(jìn)鉆車進(jìn)行打眼,以提高打眼效率,同時(shí)降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

      為提升巷道的排矸、裝巖速度和效率,本文工程將采用履帶式液壓挖斗裝載機(jī)替代耙矸機(jī)對(duì)巷道巖石進(jìn)行清理,從而提高整個(gè)工作面的裝巖速度;同時(shí),為提升排矸速度,本工程將采用梭車與皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)相結(jié)合的方式對(duì)巖石進(jìn)行裝載、運(yùn)行。整個(gè)掘進(jìn)工作面所配套機(jī)械的作業(yè)如圖2 所示。

      圖2 掘進(jìn)工作面機(jī)械配套作業(yè)

      4 結(jié)語(yǔ)

      實(shí)現(xiàn)工作面的快速掘進(jìn),使其能夠與煤層的高效、安全開采相匹配是提高煤礦生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。針對(duì)影響硬巖巷道快速掘進(jìn)的問題,本文主要對(duì)巷道支護(hù)方式進(jìn)行優(yōu)化,從而在保證巷道安全生產(chǎn)的同時(shí)提高作業(yè)效率,降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度;對(duì)掘進(jìn)巷道配套機(jī)械設(shè)備進(jìn)行匹配性選擇,從而達(dá)到提升巷道掘進(jìn)效率的目的。通過上述兩項(xiàng)措施,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦巷道快速掘進(jìn)。

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