掘锚一体机在三软煤层巷道施工中的应用.pdf

192020 年第 8 期 掘锚一体机在三软煤层巷道施工中的应用 宋国忠 1 安昌辉1 丁树丛2 （1. 通用技术集团工程设计有限公司，山东 济南 250031； 2. 内蒙古伊泰煤炭股份有限公司塔拉壕煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000） 摘 要 针对塔拉壕煤矿掘锚一体机施工三软煤层巷道速度低的问题，提出微调顺槽层位、优化支护参数、取消电动潜 水泵和封闭顶煤减少风化等改进措施。实施后，平均施工速度达到 554m/ 月，提高了 40.3，效果显著。 关键词 掘锚机 三软 掘进 中图分类号 TD214 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.08.007 Application of An Integrated Machine for Excavating Anchor in the Construction of Three Soft Coal Seam Roadway Song Guo-zhong1 An Chang-hui1 Ding Shu-cong2 1.General Technology Group Engineering Design Co., Ltd., Shandong Jinan 250031; 2.Inner Mongolia Yitai Coal Co., Ltd.,Talahao Coal Mine, Inner Mongolia Ordos 017000 Abstract In view of the problem of low speed of roadway in three soft coal seam of Talahao Coal Mine, this paper puts forward some improvement measures such as fine adjustment of trench bedding, optimization of supporting parameters, cancellation of electric submersible pump and closure of top coal to reduce weathering. After implementation, the average construction speed reached 554 m/months, which increased by 40.3, and the effect was remarkable. Key words anchoring machine three soft driving 收稿日期 2020-05-06 作者简介 宋国忠（1981-），男，山东烟台人，注册咨询工程师， 高级工程师，2004 年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，从事煤 矿设计及项目管理工作。 塔拉壕煤矿为典型的三软地层，原设计采用 综掘机施工煤层巷道。为了提高掘进速度，购置 MB670 型掘锚一体机进行试验。试验 3 个月，平均 施工速度 395m/ 月，远低于大柳塔煤矿正常掘进速 度 1600m/ 月 [1]。本文通过分析影响因素，提出改 进措施，提高了巷道施工速度。 1 工程地质条件 塔拉壕煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东 胜区，设计生产能力 6.00Mt/a。含煤地层为侏罗 系中下统延安组，地层倾角一般 03，未发现落 差 10m 以上的断层。目前开采 2、3 煤层，煤层及 顶底板抗压强度绝大部分小于 30MPa，岩石的抗 压强度很低，是典型的三软煤层，煤层埋藏深度 100330m。 3 煤层厚度 0.315.48m，平均 3.22m。顶板主要 为砂质泥岩和粉砂岩，局部为细粒砂岩，底板主要 为砂质泥岩。 顶底板岩石的孔隙率1.62～28.86， 含 水 率 0.086.13， 吸 水 率 0.9312.44， 吸水状态抗压强度 0.998.29MPa，自然状态抗压 强 度 2.6043.40MPa（ 平 均 15.07MPa）， 软 化 系 数 0.060.52，抗拉强度 0.204.50MPa，抗剪强度 0.1436.20MPa。多数岩石遇水后软化变形，甚至 崩解破坏，岩石的软化系数全部小于 0.75，软化性 强，抗水、抗风化能力弱，工程地质性质较差。自 然状态下岩石的节理裂隙不太发育，岩芯较完整， 但岩石易风化，岩石质量指标（RQD）值较低，为 1566，平均 53，岩体质量指标值（M）为 0.00130.095，平均 0.027。自然状态下岩石的质量 等级为Ⅳ级，岩体完整性差；岩体质量等级为Ⅳ级， 岩体质量差。 2 巷道布置及支护参数 煤矿采用斜井 分煤层大巷的开拓方式，大巷 202020 年第 8 期 两侧布置回采工作面，工作面顺槽采用双巷布置， 沿空留巷服务下一个区段。 掘锚一体机施工 3101 工作面主运顺槽。顺槽 设计总长度 4920m，均沿煤层顶板掘进，局部煤层 厚度小于巷道高度时破底施工。采用矩形断面，净 宽 5.2m，净高 3.4m。采用锚网索联合支护，参数 如下 （1） 顶部采用Ф202500mm左旋螺纹钢锚杆， 五花布置，间排距为 9001000mm，每排 6 根锚杆 配合梯子梁，在左右两侧肩窝的两根锚杆配合钢带 托盘进行支护。 （2）非回采帮部采用 Ф181800mm 左旋螺 纹钢锚杆，五花布置，间排距为 9001000mm，每 排 3 根，破底量大时帮锚杆增加为 4 根。 （3） 回采帮部采用Ф272100mm玻璃钢锚杆， 五花布置，间排距为 9001000mm，每排 3 根，破 底量大时帮锚杆变更为 4 根。 （4）顶部锚索采用 Ф21.87300mm 锚索，间 距 18002000mm。 3 主要施工设备 掘锚一体施工主要设备见表 1。 表 1 掘进工作面配套设备表 序号设备名称型号数量 1掘锚机山特维克MB670 型1 2连运一号车LY2000/98010 型1 3一部胶带机D SJ100/100/22501 4二部胶带机DSJ100/100/21601 5探水钻机KHYD801 6局部通风机FBDNO8.0/2452 7中转污水泵BQW80-146 8电动潜水泵QBW-7.52 9激光指向仪JK32 4 掘进速度及影响因素分析 掘锚一体机前三个月平均速度 395m/ 月，远低 于一般煤矿 600700 m/ 月的掘进速度。现场观察、 记录、分析，主要有三方面因素影响掘进速度 （1）顺槽层位不合理。按常规设计顺槽布置 在煤层中，沿煤层顶板少量破底掘进，实际揭露发 现顶板稳定性差，易冒落。 （2）支护参数不合理。锚杆锚索五花布置， 如图1所示。 间距1.0m， 排距0.9m， 支护步距0.4m。 百米定位支护次数 100/0.4250 次。 （3）掘锚一体机移动困难。掘锚一体机重 103t，采用履带行走，尽管降低了对底板抗压强度 和完整性要求，软底巷道一般可以通过，但 3101 工作面主运顺槽有积水，导致软岩底板泥化，引起 掘锚一体机倾斜、沉陷，导致移动困难。 图 1 原设计支护布置图 5 改进措施 （1）微调顺槽层位。现场经过多次试验，确 定留 0.5m 的顶煤后，顶板漏冒问题基本解决，顺 槽层位下调 0.5m。 （2）优化支护参数。锚杆锚索矩形布置，如 图 2 所示，间距 0.9m，排距 1.0m。在支护强度不 变的前提下， 缩小间距， 增大排距， 减少了停机次数。 百米定位支护次数 100/1.0100 次。停机定位支护 次数降低了 60。 图 2 改进后支护图 （3）取消电动潜水泵。改用 FQWW35-18 型 风动潜水泵，该潜水泵吸水高度低，对于较少量的 积水也能够迅速排出，以压缩空气为动力，避免了 电动潜水泵空转烧电机的问题。 （4）封闭顶煤减少风化。在掘锚一体机后方 2040m 距离向顺槽顶板喷射一层厚 3050mm 混凝 （下转第 23 页） 232020 年第 8 期 温差 2.8℃；12 月 21 日（冻结 23d），盐水温度降 至 -28.5℃，温差 3℃，此时盐水温度达到设计要求。 冻结站盐水温度变化见图 2。 图 2 盐水温度变化曲线图 4.2 冻结壁形成状况 冻结运行期间，根据工广附近农用井水位、水 文孔水位、测温孔纵向温度等资料进行冻结壁发展 状况综合分析。水 1 所报导的地层冻结壁于 2019 年 12 月 20 日交圈，冻结时间 22d，较设计提前 26d；水 2 所报导的地层冻结壁于 12 月 25 日交圈， 冻结时间 27d，较设计提前 21d。此时整个冲积层 冻结壁已全部交圈，说明冻结状况良好。 4.3 盐水系统管控 盐水系统运行采用正循环方式。主排孔、辅助 孔均采用单独联接循环盐水，防片孔采用两个冻结 孔串联运行。积极冻结期间，冻结孔单孔流量均控 制在 1314m3/h 之间。通过冻结壁温度场发展状况 预测分析成果，2020 年 1 月 15 日（冻结第 48d）， 关闭防片孔；1 月 31 日（冻结第 64d），控制辅助 孔盐水流量在 4.5m3/h 左右，主排孔盐水流量维持 不变，以控制冻土过多进入荒径；3 月 29 日，井筒 掘砌至垂深 195m 时，关闭辅助孔停止运行。自井 筒开挖至冻结表土段外壁掘砌结束，制冷盐水温度 始终控制在 -28℃以下，以保证冻结壁安全可靠性。 5 掘砌施工 冻结表土段外壁采用短段掘砌，整体金属下行 刃脚模板砌壁，掘砌有效段高 4.0m，单钩提升。 2020 年 1 月 6 日（冻结第 39d）进行井筒试挖。掘 砌期间，加强井帮温度和冻土形成监测。从监测 结果来看，试挖段井帮温度位于 -2℃ -3℃，正常 段井帮温度位于 -5℃ -6℃。基于良好的冻结效果 条件，2020 年 3 月份创出冻结段外壁掘砌工程量 161.6m，说明盐水温度、流量调控效果达到了预期 目的，井帮温度既满足规范要求，又确保井筒安全 快速施工。 6 结 语 （1）该工程冻结壁交圈时间的控制由传统的 主排孔优化调整为主排孔、辅防孔及三圈孔等组合 叠加共同作用，以此实现需冷量集中供给，其地层 交圈时间较设计提前 21d，为井筒冻结段提前试挖 提供保障，取得了较好的经济效益和社会效益。 （2）合理控制主排孔开孔间距、辅防相邻冻 结孔斜距、主辅孔布置圈距，有利于提高多圈孔布 置状况下冻土发展速度，确保冻结壁厚度与强度满 足井筒安全快速施工。 （3）辅防孔宜采用梅花桩布置方式，一方面 有利于地层冻结壁早日交圈，施工成本可得到有效 控制；另一方面内侧冻结壁发展均衡，井帮四周的 温度应力、冻胀力、围抱力等较均匀，能够确保井 筒外壁施工质量。 （4）合理控制辅防孔至掘砌荒径之距，既确 保井筒开挖时不片帮，又能保证变径段以深井帮温 度满足规范及安全施工要求。采取分阶段调控盐水 温度、盐水流量以及冻结孔运行方式等措施，以期 控制冻土入荒量，科学解决冻掘矛盾。 （5）测温孔测点应密集布置，便于及时掌握 各地层冻结壁发展状况，为井筒安全快速掘砌施工 提供有力保障。针对类似地层的冻结工程，建议水 文孔设计深度不宜超过防片孔深度，以便充分发挥 多圈孔冻结实施效果。 （上接第 20 页） 土，用来封闭顶煤，减少风化。封闭后顶板完整， 避免了风化引起局部冒落的问题，减少了后部巷道 维护影响掘进施工的问题。 6 应用效果 （1）改进施工工艺后，掘锚一体机施工巷道 平均速度达到 554m/ 月，最快达到 810m/ 月，掘进 速度提高 40.3。 （2）按每班作业人数为 12 人，每人月工资 1 万元计算，每米巷道节省人工成本 260 元 /m，每年 每个掘进工作面可节省人工成本 172.5 万元。 （3）工作面设计的顺槽长 30005000m，掘进 速度提高后，接续紧张的局面明显缓解。 （下转第 27 页） 272020 年第 8 期 分析注浆支护效果，在注浆段巷道布置了测点，对 巷道围岩变形与支护结构受力情况进行监测与分析。 5.1 巷道变形分析 在非注浆巷道和注浆巷道滞后迎头 100m 处各 布置观测点，均观测 4 个月。巷道变形主要体现在 底鼓，主要原因是回采巷道服务期短，底板一般是 无支护状态，且巷道底板留有 23m 底煤，加大了 底板变形量。在观测期内，底鼓较为突出，其次是 煤柱侧帮内挤变形大于回采侧帮部的内挤变形，两 帮呈现非对称变形，顶板下沉量相对较小。注浆前， 底鼓量 1956mm，煤柱侧帮位移 694mm，回采侧帮 部位移 428mm，顶板下沉量 190mm。注浆后，底 鼓量 1199mm，煤柱侧帮位移 505mm，回采侧帮部 位移 365mm，顶板下沉量 122mm。注浆效果明显， 巷道表面位移明显减小，底鼓量减少 39，煤柱侧 位移减少 27。 5.2 支护构件受力分析 在注浆前由于煤体破碎，锚杆与锚索锚固基础 薄弱，难以达到较高的预紧力与承载能力。在观测 期内，注浆前，煤柱侧锚杆受力均不超过 100kN， 其中煤柱肩窝锚杆受力仅 20kN，煤柱侧拱顶锚索 受力 158kN，回采侧拱顶锚索受力 302kN。注浆 后，锚杆受力都超过 130kN，煤柱侧帮锚杆受力 156kN，顶板锚杆 206kN，回采侧锚杆 135kN；煤 柱侧锚索受力明显提高，达 229kN，提高了 45， 回采侧拱顶锚索受力也有所提高，达到 335kN，起 到了较好的注浆加固效果。如图 5 所示。 图 5 121302 工作面机巷注浆后锚杆（索）受力变化曲线 通过深浅孔交替注浆后，煤柱稳定程度大大提 高，减少了回采期间对煤柱的修护处理，煤柱变形 程度小，邻近采空区的密闭墙稳定性好，减少了保 护煤柱和密闭墙漏气，消除了邻近采空区瓦斯和自 燃发火事故隐患，提高了巷道支护效果并为工作面 安全回采奠定基础。 6 结语 （1）对比邻近矿井和口孜东矿之前回采的工 作面，再根据采空区压实期的时间长短，最终得出 121302 孤岛工作面切眼煤柱 30m、风巷煤柱 20m、 机巷煤柱 15m。实践证明，煤柱留设宽度满足安全 要求，保证了工作面顺利回采。 （2）在煤柱侧喷浆处理后再进行深浅孔交替 注浆加固，有效保证了巷道围岩的整体稳定性，减 小了裂隙与结构风化。监测结果显示，相比以往， 回采巷道变形量、巷道表面位移明显减小，煤柱侧 位移减少 50 以上，顶板下沉量和回采侧位移也均 有减少。 （3）注浆为锚杆与锚索提供了稳定的锚固基 础，锚杆与锚索承载力普遍较大，在观测期内受力 状态比较稳定，表明注浆加固后巷道围岩整体性好。 在观测期内锚杆受力都超过 130kN，锚索受力也有 所提高，达到 335kN，起到了较好的注浆加固效果。 【参考文献】 ［1］ 钱鸣高， 石平五． 矿山压力与岩层控制[M]． 徐州 中国矿业大学出版社，2004． ［2］ 郭之标，杨森 . 超长孤岛工作面沿空掘巷矿压显 现规律及原因分析[J].煤矿开采， 2018， 23 （05） 91-9447． ［3］ 崔楠，马占国，杨党委，等 . 孤岛面沿空掘巷煤 柱尺寸优化及能量分析[J].采矿与安全工程学报， 2017，34（05）914-920． ［4］ 李冰冰，陈国忠，方伟 .“三高”环境下的深井 软岩巷道围岩控制技术 [J]. 建井技术，2009，30 （05）16-19. ［5］ 王志根．深井软岩巷道“三位一体”充填式复合 支护技术研究[J]． 矿业安全与环保， 2016， 43 （04） 64-67． 【参考书目】 ［1］ 杨小军，韩丰 .MB670 掘锚机在大柳塔煤矿的应 用实践 [J]. 煤矿现代化，2016（05）9-1014. ［2］ 李志军，吕坤，李臣，等 . 塔拉壕矿软岩大巷支 护参数优化研究 [J]. 煤炭技术，2017，36（03） 32-34. ［3］ 煤炭工业济南设计研究院有限公司 . 内蒙古伊泰 煤炭股份有限公司塔拉壕煤矿及选煤厂初步设计 [R].2016. （上接第 23 页）