5102巷掘進(jìn)工藝、工序優(yōu)化研究

武 超

(大同煤礦集團(tuán)朔州煤電公司小峪煤業(yè)公司，山西 朔州 038300)

1 工程概況

小峪煤業(yè)隸屬于同煤集團(tuán)朔州煤電公司，所采煤層為16#煤層，煤層總厚度7.29～8.78m，平均厚7.94m。其中上段的糟糕煤總厚2.98～3.77m，均厚3.35m；泥巖厚0.20m；尺八煤總厚0.35～0.52m，均厚0.42m；高嶺巖總厚1.04～2.15m，均厚1.44m；下段的“四四”煤層總厚2.29～2.84m，均厚2.53m。該礦經(jīng)過(guò)對(duì)16#煤層南Ⅰ輔助盤(pán)區(qū)煤層賦存情況、煤層普氏系數(shù)、構(gòu)造發(fā)育情況以及技術(shù)、安全、經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行綜合分析后，確定5102巷采用EBZ200型掘進(jìn)機(jī)按設(shè)計(jì)要求一次切割成型。5102巷支護(hù)設(shè)計(jì)為錨桿、錨索、金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，斷面規(guī)格為寬×高=3.6×3.2m。隨著現(xiàn)代采礦業(yè)巷道掘進(jìn)速度的提升及斷面的增大，以往的支護(hù)技術(shù)已不能滿足要求，且隨著巷道掘進(jìn)速度的加快和巷道斷面的增大，掘進(jìn)時(shí)頂板越來(lái)越難以管理，并容易發(fā)生事故，而保留留頂網(wǎng)兜會(huì)使臨時(shí)支護(hù)時(shí)間增長(zhǎng)，從而降低支護(hù)效率。5102巷道目前掘進(jìn)每日平均進(jìn)尺量?jī)H為10m，掘進(jìn)速度較慢。

2 支護(hù)工藝優(yōu)化方式的數(shù)值模擬

2.1 5102巷支護(hù)參數(shù)

5102巷頂板錨桿的間距與排距均為0.9m，單排5根直徑20mm長(zhǎng)度2.2m的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，使用CK2335、K2360各一卷樹(shù)脂錨固劑；頂板錨索為直徑17.8mm、長(zhǎng)度7.5m的鋼絞線，布置方式為三花眼式，單排兩根錨索的間距為1.2m，單排單根錨索位于巷道中心，排距為1.8m，使用一卷CK2335和兩卷K2360樹(shù)脂錨固劑；巷幫錨桿間距和排距分別為1m和0.9m，單側(cè)3根直徑18mm、長(zhǎng)度2m的普通圓鋼錨桿，使用一卷K2360樹(shù)脂錨固劑，巷幫單側(cè)錨桿中靠近底板的錨桿距底板0.9m，靠近頂板的錨桿距頂板0.3m。圖1為5102巷支護(hù)參數(shù)示意圖。

圖1 5102巷支護(hù)參數(shù)示意圖

2.2 模型建立

通過(guò)使用讓壓分次支護(hù)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的掘進(jìn)支護(hù)，實(shí)現(xiàn)5102巷的快速安全掘進(jìn)。該技術(shù)將掘進(jìn)巷道的支護(hù)作業(yè)分成兩部分進(jìn)行，第一部分為掘進(jìn)后的第一次及時(shí)支護(hù)，第二部分為滯后掘進(jìn)迎頭一定距離的第二次滯后支護(hù)。及時(shí)支護(hù)將頂板錨桿及巷幫靠近頂板的錨桿進(jìn)行安裝，滯后支護(hù)將錨索及剩余錨桿進(jìn)行安裝。及時(shí)支護(hù)可以先使頂板覆巖壓力得到一定程度的釋放，保證掘進(jìn)迎頭的安全，而滯后支護(hù)可以使圍巖得到進(jìn)一步的控制，實(shí)現(xiàn)及時(shí)支護(hù)和滯后支護(hù)的平行作業(yè)，減少掘進(jìn)迎頭的支護(hù)作業(yè)時(shí)間，加快了作業(yè)速度。

根據(jù)小峪煤業(yè)5102巷道掘進(jìn)工作面覆巖的物理力學(xué)參數(shù)，借鑒類(lèi)似巷道掘進(jìn)支護(hù)模擬的經(jīng)驗(yàn)[1-2]，通過(guò)FLAC3D軟件建立5102巷道掘進(jìn)二次支護(hù)滯后不同距離模型研究適合5102巷道掘進(jìn)支護(hù)分次支護(hù)的距離。采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行本次模擬計(jì)算，建立的計(jì)算模型尺寸為50m×6m×45m，為了保證模擬結(jié)果的精確度，模型共劃分67922個(gè)單元及75000個(gè)節(jié)點(diǎn)。x軸法線的側(cè)面來(lái)限制水平移動(dòng)，y軸法線的側(cè)面來(lái)限制縱向移動(dòng)，其他方向采用模型地面來(lái)限制其移動(dòng)，模型垂直方向施加9×106Pa的載荷，模擬過(guò)程中的掘進(jìn)進(jìn)尺為1m。

2.3 模擬結(jié)果分析

二次滯后支護(hù)距離掘進(jìn)迎頭一次及時(shí)支護(hù)不同距離時(shí)巷道垂直應(yīng)力模擬結(jié)果云圖如圖2所示。

觀察圖2可發(fā)現(xiàn)，在5102巷道中，當(dāng)二次支護(hù)滯后一次支護(hù)10m、20m、30m時(shí)，支護(hù)段內(nèi)頂板的最大應(yīng)力值為1.48×105kN、9.1×104kN、1.7×105kN。可以明顯看出二次支護(hù)滯后一次支護(hù)20m時(shí)，對(duì)支護(hù)段內(nèi)的頂板控制效果最佳，因此確定二次支護(hù)滯后一次支護(hù)的合理距離為20m。由于5102巷支護(hù)參數(shù)中每6排有6根錨索及66根錨桿需要安裝，而應(yīng)用讓壓分次支護(hù)技術(shù)后，約每排有3/4根錨索和4根錨桿在滯后一次及時(shí)支護(hù)20m的地方進(jìn)行平行作業(yè)施工，每排支護(hù)的效率提升35%。而一般掘進(jìn)巷道中支護(hù)作業(yè)時(shí)間占整個(gè)工序的70%，因此應(yīng)用該技術(shù)可以使5102巷掘進(jìn)施工效率提升25%。

圖2 二次支護(hù)滯后不同距離時(shí)的垂直應(yīng)力云圖

由以上分析知，適合小峪煤業(yè)5102巷道掘進(jìn)時(shí)二次支護(hù)的合理滯后距離為20m，通過(guò)二次支護(hù)的平行作業(yè)施工，整個(gè)施工循環(huán)可以提高25%的工效。

3 掘進(jìn)及支護(hù)工藝的優(yōu)化措施

3.1 多工序交叉平行作業(yè)[3]

5102巷道采用錨網(wǎng)索的支護(hù)方式很大程度上減輕了支護(hù)工人的工作強(qiáng)度，但是巷道在掘進(jìn)過(guò)程中掘進(jìn)作業(yè)與支護(hù)作業(yè)是分離的，這是嚴(yán)重影響巷道掘進(jìn)速度的原因之一，因此需要協(xié)調(diào)掘進(jìn)與支護(hù)的作業(yè)過(guò)程。在保證安全作業(yè)的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)多道工序交叉平行作業(yè)來(lái)提升作業(yè)效率。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，巷道掘進(jìn)后頂板錨桿機(jī)幫部錨桿的安裝、延長(zhǎng)皮帶及二次支護(hù)安裝錨索和錨桿、各種機(jī)電設(shè)備的檢修、綜掘機(jī)和電纜線的延長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)多道工序交叉平行作業(yè)，這樣可以在保證安全的同時(shí)提高作業(yè)效率。

3.2 讓壓分次支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)迎頭工人在掘進(jìn)后及時(shí)進(jìn)行一次支護(hù)中頂板錨桿及幫部靠近頂板的兩根錨桿的安裝，同時(shí)另一組工人在滯后掘進(jìn)迎頭20m處進(jìn)行二次支護(hù)中頂板錨索及幫部靠近底板錨桿的安裝作業(yè)。這樣可以在保證安全的前提下，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)中支護(hù)的分次平行作業(yè)，很大程度上節(jié)省了支護(hù)作業(yè)時(shí)間。

3.3 優(yōu)化作業(yè)制度[4]

為了避免工人勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)高，并保證5102巷道的快速掘進(jìn)，結(jié)合5102巷現(xiàn)場(chǎng)情況，優(yōu)化原掘進(jìn)“三·八”制的作業(yè)方式為“四·六”制循環(huán)作業(yè)方式，一班檢修，三班掘進(jìn)作業(yè)，充分利用兩班交接的重疊時(shí)間進(jìn)行接下來(lái)掘進(jìn)生產(chǎn)的準(zhǔn)備工作，并在掘進(jìn)機(jī)后方補(bǔ)打漏打的錨桿等。

4 應(yīng)用效果

5102巷在6月份之前采用原掘進(jìn)及支護(hù)工藝進(jìn)行巷道的掘進(jìn)作業(yè)，6月份之后應(yīng)用優(yōu)化后的作業(yè)制度和讓壓分次支護(hù)技術(shù)進(jìn)行巷道的掘進(jìn)作業(yè)。如圖3為優(yōu)化前與優(yōu)化后的掘進(jìn)日進(jìn)尺對(duì)比圖。

觀察圖3可發(fā)現(xiàn)，5102巷道在采用原掘進(jìn)及支護(hù)工藝進(jìn)行巷道掘進(jìn)時(shí)，單日進(jìn)尺量為10m，而在應(yīng)用“四·六”制循環(huán)作業(yè)方式、讓壓分次支護(hù)技術(shù)并使部分工序平行作業(yè)后，掘進(jìn)巷道單日進(jìn)尺量逐漸增加。隨著工人作業(yè)熟練度的提高，單日進(jìn)尺量增加至20.8m，單日進(jìn)尺量較之前最大增幅為108%；并且正常掘進(jìn)單次循環(huán)時(shí)間縮短到40min，其中綜掘機(jī)割煤作業(yè)用時(shí)10min，支護(hù)用時(shí)30min；5102巷8月的總掘進(jìn)進(jìn)尺量為606m，平均日進(jìn)尺20.2m，實(shí)現(xiàn)了5102巷道的安全快速掘進(jìn)。

圖3 優(yōu)化前與優(yōu)化后的掘進(jìn)日進(jìn)尺對(duì)比圖