综采工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度设计及其应用.pdf

煤炭工程 2 0 1 0年第 7期 综采工作面沿空掘巷窄煤柱合理 宽度设计及其应用 于 洋 ，柏建彪 ，陈 科 ，肖同强 1 ．中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州2 2 1 I 1 6 ； 2 ．中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 采用极限平衡理论和数值模拟方法对综采 工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度进行 了分 析。依据不同宽度的窄煤柱与巷道围岩变形量的关 系，确定 了合理的窄煤柱宽度 ，并应 用于工程 实践。实践结果表明研究确定的窄煤柱宽度合理、技术和经济效益显著 ，对类似条件 下综采工作 面沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定有一定的指导意义。 关键词沿空掘巷 ；窄煤柱宽度 ；数值模拟 中图分类号 T D 8 2 2 ． 3 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 0 7 - 0 0 0 6 - 0 4 De s i g n a n d a p pl i c a t i o n o f r a t i o n a l n a r r o w c o a l p i l l a r wi d t h t o g a t e wa y dr i v i n g a l o n g g o a f o f f ul l y me c h a ni z e d c o a l mi n i ng f a c e YU Ya n g ，B AI J i a nb i a o ，C HEN Ke ，XI AO T o n gq i a n g 1 ． S c h o o l o f Mi n i n g E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 1 1 6， C h i n a ； 2 ． S t a t e K e y L a b o f C o a l R e s o u r c e s a n d S a f e t y Mi n i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o gy， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e l i mi t b a l a n c e t h e o r y a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n me t h o d w e r e a p p l i e d t o a n a l y z e t h e r a t i o n a l w i d t h o f t h e n a r r o w c o a l p i l l a r f o r t h e g a t e wa y d r i v i n g a l o n g t h e g o a f o f t h e f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g f a c e ． Ac c o r d i n g t O t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e d i f f e r e n t wi d t h n a rro w c o a l p i l l a r s a n d t h e s u r r o u n d i n g r o c k d e f o r ma t i o n v a l u e o f t h e mi n e g a t e wa y ，t h e r a t i o n a l wi d t h o f t h e c o al p i l l ar wa s s e t u p a n d w a s a p p l i e d t o t h e e n g i n e e ri n g p r a c t i c e s ．T h e p r a c t i c e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e n a r r o w c o al p i l l a r wi d t h s t u d i e d a n d s e t w a s r a t i o n al a n d t h e t e c h n i c a l a n d e c o n o mi c r e s u l t s w e r e o b v i o u s ．T h e p r a c t i c al r e s u l t s c o u l d p r o v i d e the c e r t a i n g u i d a n c e t o s e t t h e r a t i o n a l wi d t h o f t h e n a r r o w c o al p i l l a r f o r t h e g a t e wa y d r i v i n g alo n g t h e g o a f o f t h e f u l l y me c h a n i z e d c o al mi n i n g f a c e u n d e r t h e s i mi l a r c o n d i t i o n s ． Ke y wo r d s g a t e w a y d r i v i n g alo n g g o a f ；n a r r o w c o a l p i l l a r wi d t h；n u me ri c al s i mu l a t i o n 随着煤矿开 采机械 化程度 的提 高 ，矿井 产量 和开采 深 度的加大，对煤炭采出率和回采巷道支护技术要求越来越 高 ，传统的留设较宽的区段煤柱护巷的布置方式已不能满 足要求。留窄煤柱沿空掘巷是提高煤炭采出率的有效方法 之一。沿空掘巷是在上区段工作面回采引起的采动影响稳 定以后沿采空区边缘掘进的巷道。沿空掘巷技术由于巷道 具有煤炭采出率高、容易维护等诸多优点，近些年来在我 国多个矿区逐渐推广应用 。而窄煤柱是沿空掘巷围岩的 重要组成部分，其稳定性直接影响巷道整体的稳定性，所 以窄煤柱宽度的确定成为沿空掘巷的核心内容之一。本文 6 采用理论计算和数值模 拟方法 对沿 空掘 巷窄煤 柱 的合理 宽 度进行了研究 ，并将 研究 结果 应用 于工程 实践 ，取 得 了较 好的技术经济效果。 1 沿空掘巷窄煤柱的留设原则 沿空掘巷的围岩力学环境与其它类型的回采巷道相比， 一 般具有以下三个显著的特点[ 2 3 ①巷道处于应力降低区； ②掘巷期间巷道围岩的应力集中程度小；③ 回采期间巷道 围岩的应力集中程度很大。基于上述特点确定沿空掘巷窄 煤柱宽度应该遵循的原则 ] 收稿 日期 2 0 1 0 0 1 0 5 基金项目国家自然科学基金项目 5 0 7 7 4 0 7 7 ；全国博士学位论文作者专项基金资助项 目 2 0 0 7 6 0 ；教育部新世纪优 秀人才支持计划项 目 N C E T一0 60 4 7 5 ；煤炭资源与安全开采国家重点实验室 自主研究课题资助项 目 S K L C R S M 0 8 X 0 4 作者简介于洋 1 9 8 5一 ，男，山东新泰人，现主要从事巷道围岩控制理论与支护技术方面的研究。 2 0 1 0年第 7期 煤炭 工程 1 巷道位于应力降低区，根据采空区侧向应力分布规 律，要求煤柱尽量窄。当巷道位于应力降低区时，窄煤柱 及巷道 的稳 定性 均较好 。 2 有利于巷道稳定。煤柱过窄，不但煤柱破碎 ，顶板 及实体煤帮也比较破碎，巷道围岩整体性差、承载能力小。 3 有利于锚杆锚固。煤柱过窄时，窄煤柱破碎 ，不利 于窄煤柱帮锚杆锚固，影响巷道支护效果。 4 采出率高。煤柱越小 ，采出率越高 ，在满足巷道围 岩稳定的前提下 ，尽可能减小窄煤柱宽度。 5 煤柱不能过宽。煤柱过宽 ，既不利于减小煤炭损 失，又容易形成应力集中影响巷道围岩的稳定。 2 窄煤柱合理宽度的理论计算 A侧压系数， Ag ／ 1一 ； 煤层的内摩擦角， 。 ； C 煤层的粘聚力 ，MP a ； k 应力集中系数 ，一般取 3左右； 岩层的平均容重 ，MP a ； 日巷道的埋藏深度 ，m； P 对煤帮的支护阻力，如上区段采空区侧支护 已经拆除，可取 P 0 。 将试验巷道 的参 数带入公 式 2 进行 计算，得 出 Z 1 1 ． 7 m， 2 ． 3 m，Z 3 0 ． 8 m，B Z 1 Z 2 4 ． 8 m。 考虑到一定的富裕系数 ，初步确定窄煤柱的合理宽度 为 5 ． 0 m。 2 ． 1 试验巷道地质概 况 3 窄煤柱合理宽度的数值模拟 某矿0 9 1 1 3工作面开采 8号和 9号煤层，中问含薄层夹 矸 ，采高 3 ． 6 m，工作面长度 1 8 7 m，煤层平均埋深 3 0 0 m， 平均倾角 8 。 ，赋存状况稳定。0 9 1 1 3工作面运输顺槽为矩 形断面，宽 高为 4 ． 5 m 3 ． 6 m。试验巷道采掘平面图如图 l 所示 。 图 1 试 验巷道采掘工程 平面 图 2 ． 2 理论计算窄煤柱的宽度 极限乎衡理论研究认为，窄煤柱合理的最小宽度 为 B Z 1z 2 1 式中，Z 1 为上区段工作面回采在下区段沿空掘巷窄煤 柱中产生的破碎区的宽度，可以按照式 2 计算 。 mA k ． k yH t an P ． L 2 式中z 沿空掘道窄煤柱一帮锚杆的有效长度，再增 加 1 5 ％的富裕系数，m； 考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定性系 数 ，按0 ． 2 z Z 2计算； m 上下区段平巷 高度 ，m； 根据试验巷道 的生产地质条件，利用数值模拟软件 U D E C 3 ． 1 0建立模型研究沿空掘巷窄煤柱的合理宽度。模拟 过程分别取 窄煤 柱宽度为 3 m、4 m、5 m、6 m、8 m、1 0 m、 1 5 m七个方案，对沿空掘道在掘进及 回采期间的顶板下沉 、 底板鼓起 、实体煤帮、窄煤柱帮的变形量进行研究。 3 ． 1 沿空掘巷在掘进期间围岩变形特征 掘进期间沿空掘巷围岩变形情况如图2所示，由此可 以看出其变化特征 一 顶板下 沉量底 板鼓起 量 g g 蜘 制 j 疆 窄煤柱宽度／ m 图 2 掘进期 间沿空掘巷 围岩 变形情况 1 尽管窄煤柱宽度不同，但是沿空掘巷两帮的相对移 近量均大于顶底板的相对移近量 ，说 明在巷道掘进期 问， 围岩变形以两帮移近为主。 2 当窄煤柱宽度小于 5 m时，沿空掘巷的顶底板相对 移近量以顶板下沉量为主，底板鼓起量相对较小。当窄煤 柱宽度大于 5 m时，随着窄煤柱宽度的增加，顶板下沉量不 断增大 ，底板鼓起量先增大后减小。当窄煤柱宽度等于 5 m 时 ，顶板 下沉量和底板鼓 起量均达到最小 。 3 在沿空掘巷 两帮移 近量 中，窄煤柱 帮的移 近量 和实体煤 帮的移 近量 随着窄煤柱宽度的不 同稍有变化 ， 但其变化幅度不 大。窄 煤柱帮 的变化趋 势是 随着窄煤 柱宽度的增 加 ，移近量 先增大 后减 小 ，但 当煤柱 宽度 7 煤炭工程 2 0 1 0年第 7期 大于 5 m时，移近量 又开始增加 ，宽度为 5 m时移近量 最小 ；实体煤帮的变化趋势是 随着窄煤柱宽度的增加 ， 移近量不断减小 ，但 当窄煤柱宽度大于 5 m时 ，移 近量 又开始有一定的增大，同样在窄煤柱宽度为 5 m时移近 量 最 小 。 3 ． 2 沿空掘巷在回采期 间围岩变形特征 回采期间沿空巷道围岩变形情况如图 3所示 ，由此可 以看出其变化特征 一 顶板下沉量 底板鼓起量 g 毒 匝 测 { {{ 窄煤柱宽度／ m 图 3 回采期 间沿空掘巷 围岩变形情况 1 本工作面回采时，沿空掘巷两帮相对移近量和顶底 板相对移近量相差不大，基本在 6 5 0～7 00mm之间，说明 在本工作面回采时，巷道围岩变化量比较均匀。 2 沿空掘巷在受本工作面回采影响时，顶板下沉量和 底板鼓起量的变化趋势基本一致。当窄煤柱宽度小于 5 m 时，均是随着窄煤柱宽度的增加，移近量不断减小，宽度 为 5 m时移近量达到最小值 ，窄煤柱宽度大于 5 m后随着宽 度的不断增加，移近量先增大后减小，6 m时移近量达到最 大。但是顶板下沉量普遍大于底板鼓起量。 3 在本工作面采动影响下，随窄煤柱宽度的增加 ，实 体煤帮的移近量先减小后增大，并且在 5 m时达到最小；而 窄煤柱帮的移近量却随着窄煤柱宽度的增加不断增人，当 窄煤柱宽度小于5 m时，移近量增大幅度较小，而当宽度大 于 5 m时 ，移近量增大幅度显著增大 。 上述分析可知 沿 空掘 巷在巷 道掘 进期 间 ，由于 围岩 变形量较小，窄煤柱宽度对巷道围岩变形量的影响不大； 但是在受本工作面采动影响时，沿空掘巷的围岩变形量普 遍较大，所以在此种条件下，合理的窄煤柱宽度与沿空掘 巷的围岩稳定性有很大的关系。 根据数值模拟分析在不同宽度窄煤柱条件下沿空掘巷 在掘进和回采期间围岩的变形规律，确定窄煤柱的合理宽 度为 5 m。 4工程 实践 0 9 1 1 3综采工作面运输顺槽采用留设 5 m窄煤柱进行沿 空掘巷。锚杆均采用 2 0 m m的左旋无纵筋高强度螺纹钢锚 杆，顶板锚杆长2 ． 4 m，两帮锚杆长2 ． 2 m，树脂药卷加长锚 固，锚杆排拒 0 ． 9 m，每隔2 ． 7 m在巷道中部布置 1 根锚索 加强支护，锚索长度7 ． 2 m，并铺设金属网和钢筋梯子梁。 8 掘进期间和回采期间沿空掘巷围岩变形量如图4和 5 所示。由图4 、图5可知，掘进期间沿空掘巷顶底板和两帮 相对移近量分别不超过 l O O mm和 2 0 0 ra m；回采期间沿空掘 巷顶底板和两帮相对移近量分别不超过 7 00m m和 8 0 0 ra m， 与数值模拟结果基本一致 ， 沿空掘巷围岩变形得到了有效 控制，并且窄煤柱整体保持稳定 ，满足了煤矿现场安全生 产的需要。由此说明按照极限平衡理论和数值模拟方法确 定的窄煤柱宽度是合理的。 试验煤矿以前采用的综采工作面区段保护煤柱宽度为 1 5 2 0 m。0 9 1 1 3综采工作面长度为 1 8 7 m，留设 1 5 m煤柱 和留设 5 m窄煤柱的煤柱损失率分别为 7 ． 5 ％和 2 ． 5 ％ ，相 比之下煤柱损失率下降了 5 ％。留设 5 m窄煤柱可以多回收 l O m的保护煤柱 ，按照吨煤价格 5 00 元计算，仅 0 9 1 1 3工作 面就会给煤矿增加收入约 5 0 0万元，按吨煤利润 1 5 0元计 算，可以增加利润 1 5 0万元，经济效益显著。 董 蛐 饕 罂 时间／ d 图 4 掘进期 间沿空掘巷 围岩变形量 距工作面距离， m 图5 回采期间沿空掘巷围岩变形量 5 结论 1 沿空掘巷是控制巷道围岩变形、提高煤炭采出率的 有效途径 。 2 合理的窄煤柱宽度使沿空掘巷处于应力降低区，从 而保证了巷道围岩的变形量较小。根据极限平衡理论计算 和数值模拟方法 ，最终确定窄煤柱的合理宽度为 5 m。 3 0 9 1 1 3综采工作面运输顺槽采用 5 m窄煤柱沿空掘 巷 ，在掘进和回采期间巷道围岩变形均能够满足矿井正常 生产要求 ，巷道围岩控制效果 良好。 g I u ／ 础 漤靛 O O O 0 0 0 O O O O ∞ 蚰 加 ∞ 如 ∞ 加m 2 0 1 0年第 7期 煤炭工程 钢丝绳牵引带式输送机防倒转系统设计与分析 刘同增 黑龙江龙煤集团 鹤岗分公司，黑龙江 鹤岗 1 5 4 1 0 0 摘 要 论 文介 绍了钢丝绳牵引带式输送机防倒转 系统的设计 ，详 细介 绍 了起制动作用的卡 绳器采用楔块式，利用其 自 锁原理，可以将钢丝绳卡得更牢固。并运用有限元分析软件 A N S Y S 对 卡绳器中关键部件楔块和楔背进行应力分析 ，得到应 力和应变分布情况，通过分析 ，寻找到楔块 和楔背的薄弱地方即应力集中的地方。并对卡绳器和钢丝绳接触 面进行分析 ，同时对卡绳过程进 行 了动 力学分析。 目前该 系统 已经在 多个矿井中得到应用，取得 了良好的效果。 关键词带式输送机；防倒转系统；卡绳器；动力学分析 中图分类号 T D 5 2 8 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 0 7 - 0 0 0 9 2 在煤矿生产 中，其它生产条件正常的情况下，带式运 输机的可靠性是运输系统安全运行关键，其可靠性的高低 直接影响到矿井产量 的大小和经济效益的好坏。本文针对 钢丝绳牵引带式输送机出现的倒车现象，以钢丝绳为研究 对象，采用抓捕钢丝绳方案来防止钢缆胶带运输机倒车事 故的发生。使钢缆胶带运输机倒车时能及时制动，保证上 运钢缆胶带运输机的安全运行 ，防患于未然。 1 带式运输机防倒转 系统设计 本文采用钢丝绳牵引带式输送机防倒转的楔块式卡绳器 设计方案。该方案主要包括机械、液压和电控三部分。机械 系统主要包括卡绳器、支架及推动装置托绳轮和逆止器等。 系统采用卡绳器的工作原理为在栅架组件上装有圆柱滚 子，使卡绳器不仅具有良好的自锁性能，而且使调绳后的恢 复工作容易进行。栅架组件 2中的圆柱滚子在楔块 1 和楔背 6之间产生滚动摩擦，钢丝绳7越往下移动，楔块 1对钢丝 绳的夹紧力就越大，这样利用滚动摩擦的楔块自锁原理夹紧 钢丝绳从而使钢丝绳不再下移。卡绳器结构如图 1 所示。 鉴于机械制动系统可靠性不是太高，为了保证带式输 送 机的安全运行 ，需要增加液压系统来确保带式运输机系统 图 1 卡绳器 结构 示意图 1 一 楔块 ；2 一 栅架组件 ；3 一前壁板 ；4 一挡板 ； 5 一 圆柱滚 子轴 承 ；6 一 楔背 ；7 一钢丝绳 ；8 一上挡板 ；9 一固定挡板 的可靠停止。为了确保系统能够安全制动 ，通过安装在带 式输送机上的传感器 ，当出现倒转故障时，传感器采集到 的信息进人电控系统，由电控系统控制液压站工作，使卡绳 4 将理论研究结果成功应用于现场工程实践 ，取得了 良好的技术经济效益，对类似条件下综采工作面沿空掘巷 窄煤柱合理宽度的确定有一定的指导意义。 参考文献 [ 1 ] 侯朝炯 ，郭励生 ，勾攀峰 ，等 ．煤 巷锚杆 支护 [ M] ．徐州 中国矿 、I 大学 出版社 ，1 9 9 9 ． [ 2 ] 柏建彪 ．沿空掘 巷围岩控制 [ M] 徐州 中 国矿业大学出版 社 ，2 0 0 6 ． [ 3 ] 柏建彪，王卫军， 候朝炯， 黄汉富． 综放沿空掘巷围岩控制机 支护技术研究机理[ J ] ．煤炭学报， 2 0 O 2 ， 1 0 4 7 8 ～ 4 8 1 ． [ 4 ] 李 学华 ．窄煤柱 沿空 掘巷稳 定原 理与技 术 [ J ] ．煤炭 支护 ， 2 0 0 8 ， 2 1～ 9 ． 责任编辑李泽荃 收稿日期2 0 1 0 0 4 2 8 作者简介刘同增 1 9 5 9一 ，男，黑龙江鹤岗人，高级工程师，硕士，毕业于中国矿业大学机电专业，现任龙煤集团 鹤岗分公司机电处处长从事矿山机电方面的管理工作 。 9