复合松软顶板条件下快速掘进的探索与实践.pdf

第4期复合松软顶板条件下快速掘进的探索与实践蒙鹏科1，唐小波2（1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司梅花井煤矿，宁夏 灵武751410；2.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司红柳煤矿，宁夏 灵武751410）摘要：红柳煤矿掘进工作面受地质条件的影响，不同程度出现煤层变薄、断层多、地质构造复杂，导致已有部分巷道成为废巷，不能圈定可采储量。同时，由于开采深度的增加，巷道围岩压力变大，巷道支护难度增大，使得掘进速度大幅度降低，造成采掘衔接的紧张局面越发严峻，严重影响了煤炭生产。为了提高复杂地质条件下掘进速度，分析了复合松软顶板条件下综掘工作面快速掘进的影响因素，并依据红柳煤矿I01采区4煤掘进工作面综掘实际，提出了掘进快速切割、合理支护参数、辅助运输连续、劳动组织及优化配置等措施，从而达到快速掘进的目的，为今后红柳煤矿在复合型顶板条件下实现快速掘进提供可靠的技术保障。关键词：复合松软顶板；影响因素；方案优化中图分类号：TD263文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）04-040-04作者简介：蒙鹏科（1971），男，高级工程师，现任国家能源集团宁夏煤业有限责任公司梅花井煤矿矿长，主要从事安全环保和煤炭生产技术管理工作。Tel：[phone]，E-mail：引用格式：蒙鹏科，唐小波.复合松软顶板条件下快速掘进的探索与实践 J.能源科技，2023，21（4）：40-43.1工程背景I010401工作面位于红柳井田东南部，工业广场北部，距工业广场1 1172 719 m。巷道大体平行于工业广场至1号立风井道路，位于路东侧约850 m处。该巷道位于马家滩背斜轴两翼，背斜西翼煤岩层走向35876，倾向西，倾角512，背斜东翼煤岩层走向76102，倾向东北，倾角411，煤岩层沿走向、倾向均有一定的起伏变化。H1503 勘探钻孔揭露 4-3煤厚0.98 m，巷道掘至该孔附近，4-3煤厚度局部将变薄至1.0 m。预计正常涌水量Q=510 m3/h，最大涌水量Q=15 m3/h。巷道断面布置如图1所示。巷道断面为异型，掘进断面积为17.5 m2，掘进宽为5.4 m，掘进中高为 3.5 m，采用锚网+钢带+锚索联合支护。顶部采用20 mm2 500 mm螺纹钢锚杆支护，每排布置7根，间排距为 800 mm800 mm；采用 21.98 mm6 300 mm锚索补强支护，每排布置 2 根，间排距为 2 000 mm2 000 mm，帮部锚杆间排距为800 mm800 mm，帮部6根20 mm2 500 mm圆钢端头锚杆。采用EBZ-160型综掘机掘进。2影响复合松软顶板巷道快速掘进的主要因素煤矿巷道掘进是一项综合性的施工工艺，掘进速率受到多重因素的综合影响，取决于巷道客观地质条件、掘进采用装备、员工技术生产水平及各生产施工工序的紧密衔接程度。科学有效地生产组织管理可显著提升煤矿巷道掘进生产速度，并创造良好的生产环境。第21卷 第4期Vol.21No.42023年8月Aug.2023级左旋螺纹钢锚杆20 mm2 500 mm4-3煤底板圆钢端头锚杆18 mm1 800 mm4-3煤顶板圆钢端头锚杆18 mm1 800 mm锚索21.98 mm6 300 mm600 800800800800 6002 5002 00050巷道中心线4 8005 00060060015151 0001 0009051001001 80015153 0003 4003008321 0001 0001 800100图1巷道断面布置第4期2.1煤层赋存地质条件的影响14 号煤层普氏硬度系数f=1.92.3，平均抗压强度为11.6 MPa，顶板以粉砂岩、泥岩为主，层理发育，易风化、泥化。直接顶基本为泥岩或砂质泥岩，层理发育，微裂隙多；煤层厚度为0.983.1 m。4 号煤层地质条件极为复杂，多次受到冲刷，煤巷变岩巷、综掘改炮掘的情况时有发生，且岩石坚硬，综掘改炮掘，极大地影响了掘进进度。2.2装备水平低下，老化严重设备配套是否合理，直接影响到掘进循环时间的长短。目前，综掘工作面均使用EBZ-160型综掘机，截割功率160 kW，截割头转速46 r/min，综掘机服务年限相对较长，设备截割速度、移动速度相对较慢，影响截割割煤，制约单进水平的发挥。带式输送机、支护锚杆钻机等机械设备多数为建矿初期时的产品，机器装备水平低下、老化严重，各种机具数量少、功率小，使用人工频繁移动搬家，降低了平行作业的水平，影响了施工进度。2.3支护参数根据半煤岩巷掘进写实统计，在半煤岩巷综掘1 个作业循环中，顶板坚硬完好时循环进度 2.0 m，割煤时间 45 min，铺网、临时支护 10 min，永久支护95 min；支护工序时间占总时间的4055，割煤工序时间占1530，运输系统影响占1025。因此支护速度慢是影响综掘效率的重要因素。原有支护强度：巷道顶板采用6.3 m长锚索支护时，4 号煤层老顶粗砂岩为含水层，锚索孔施工至4.0 m时，含水层中的水通过裂隙或锚索孔渗透至直接顶，给锚杆、锚索施工带来一定影响，削弱了支护强度，造成综掘机陷底、施工困难，导致原有支护强度不够、底鼓量加大，影响巷道掘进速率及支护安全。2.4施工工艺及劳动组织红柳煤矿综掘施工多采用悬臂式掘进机配合液压锚杆钻机，后配装载机和胶带输送机的综合机械化掘进工艺方式，掘进机完成2 m掘进作业后，需人工进行托锚网及锚杆、锚索支护作业，此时掘进机需停机等候，无法连续掘进作业。且支护作业中的材料运输、锚杆支护均需要人工操作，工作效率低，工人劳动强度大，致使掘进单进水平低，掘进机割煤和锚杆支护基本不能平行作业，难以实现掘锚一体化。因其作业循环时间长，顶底板围岩稳定性差，锚杆间排距小，每米巷道锚杆数量多，一般只能采用一掘一支、短掘短支的循环作业方式，造成巷道掘进工序时间相对较长。3半煤岩巷快速掘进数值模拟相同掘进进尺时，不同支护方式应力分布2本次模拟设计3 个方案（4 m、6 m、8 m锚索支护），模拟大断面半煤岩巷在相同掘进进尺（每循环1.0 m），不同支护方式掘进头围岩应力场及位移场分布特征，从而确定大断面快速掘的合理支护方式。同一掘进速度不同支护方式时掘进头垂直应力分布如图2所示。锚索4 m100-10-40-80-120-160-200-240压应力/kPa（a）锚索长度4 m的应力场分布锚索6 m100-10-40-80-120-160-200-240压应力/kPa（b）锚索长度6 m的应力场分布锚索8 m100-10-40-80-120-160-200-240压应力/kPa（c）锚索长度8 m的应力场分布图2不同锚索长度时的应力场分布从图2可以看出：当预应力一定时，短锚索的主动支护作用优于长锚索；锚索越长，施加的预应力应越大，才能充分发挥锚索的支护作用；通过提高锚索的预应力，可适当减少锚索长度；根据目前锚索预应力水平（120160 kN），锚索不宜过长，选择蒙鹏科等：复合松软顶板条件下快速掘进的探索与实践41第4期在46 m比较合理3。考虑到长锚索将顶板老顶粗砂岩导透，造成巷道底板泥岩泥化，严重影响掘进效率，因此采用全断面高预应力短锚索支护方式，减少底板遇水易泥化陷综掘机，从而降低巷道底鼓量，确保快速掘进和施工安全。4优化快速掘进的主要技术措施4.1加强地测地质预报红柳煤矿4 号煤层地质条件复杂，地质构造带较多，在掘进过程中，极大地影响了掘进进度。因此，矿地测部门和基层区队联动，将已经开采的临近工作面作为参照，利用钻探进行超前检查，在施工各种钻孔时及时采取措施，建立钻孔档案。地质测量部门根据钻探及钻孔情况，准确预报地质变化情况，为快速掘进打好坚实的基础。4.2优选掘进和支护设备掘进设备的选取是实现快速掘进的关键因素4。4 号煤层巷道掘进使用EBE-260型综掘机，配套使用DSJ100/40/2160型胶带输送机运煤，辅助运输采用无轨胶轮车。顶部锚索支护使用 MYT-150/330型液压锚杆钻机，帮部锚杆支护使用MQT-130/3.3型风动帮锚机等机械设备进行巷道永久支护，使掘进工作面打眼及支护速度显著加快。通过对该系统的研究，实现掘进工作面煤炭的装载运输、巷道锚护一体化，解决顶底板和侧帮条件不好的巷道锚杆支护速度低、机械化程度低的问题，提高巷道锚杆支护速度，降低工人劳动强度；同时由于整机配置先进的液压钻机及操控系统，将彻底改变目前综掘巷道以人工操控单体钻机为主的现状，提高锚杆支护机械化水平，为下一步实现自动化做准备。4.3优化设计，简化系统，抓好技术革新，提升快速掘进效率（1）优化采掘布局，合理集中生产。对掘进队伍进行定岗定编，优化掘进生产组织，在同一采区集中布置一个区队作业，便于管理；提高劳动力资源利用率；不断优化系统设计，减少工作面搬家倒面次数；简化工作面出煤系统，减少岗位用工。（2）优化巷道断面设计，改变运输顺槽设计断面。采用圆弧拱型断面设计，该断面既有利于综掘机割刀成型，又符合拱型支护的受力原理，克服了矩形断面施工时巷道直角处成型不好、易片帮、顶板容易离层等现象。（3）顶板的支护材料采用1.1 m7.0 m规格的大片包边钢筋网，取代了过去的铁丝网加钢带的支护方式，增加了支护的钢性，避免了顶板容易出现网兜现象，简化了施工程序，减少了挂网、连网的工作量，缩短了循环进度时间。对两帮的支护采用了20 m2.0 m的塑料网取代0.85 m2.2 m的铁丝网，降低了联网工作量，减少了联网时间。支护排距由 800 mm调整为1 100 mm，同时将锚杆支护间距调整为1 000/850 mm，减少了一套锚杆（索）。巷道支护参数的合理确定，既保证了巷道支护安全，又保证了合理快速掘进。（4）为了保证多道工序平行作业，经过顶板观测数据分析及技术研究论证，合理确定补强锚索及帮锚杆的滞后距离，实现了打锚索、补打帮锚杆、打顶锚杆等多工序、多机具平行作业，提高了掘进速度。针对生产实际，使用100 m可缩储带、可移动材料码放台、自移式胶带输送机机尾，既减轻了劳动强度，又缩短了辅助工作时间，为快速掘进创造了有利条件。（5）采用增压泵优化改造原风动锚索张紧器。将单根锚索张紧时间由5.5 min缩短至2 min，提高作业效率。两级双翼双伸缩综掘机机载液压前探梁应用，既保证了巷道掘进的临时支护，又加快了铺网上梁的速度，降低了综掘工作面迎头临时支护的安全管控难度。4.4抓好标准建设，确保快速掘进质量红柳煤矿为了保证施工质量，成立了工程质量督导组、检查组，工作人员每天深入现场，对质量、进尺一天一验，并严格按规程要求执行，管线、轨道、水沟按标准铺设、施工到位，各工序严格坚持“一次性”原则，避免重复性作业，实现了一次成巷。验收组对不合格品进行处罚，并监督立即整改。区队在质量管理上下功夫，在班前讲规程，讲程序化操作，对施工质量实行延期负责制，对每个小班的施工进尺做出不同颜色的永久标记，既便于检查监督，落实责任，又便于在巷道施工结束后出现质量问题时确切找到责任班组，实现责任追究。生产科室抽出专人配合2 个区队分别进行锚杆拉力实验，对顶板离层仪及锚索读数进行现场记录，各种数据全部存档备案。掘进面设专职安检人员全过程监督，重点对小运输、空顶距离、锚杆预紧、探老空等工作进行监督检查。检查组随时检查顶板离层仪以及监测牌板是否及时安装，读数是否准确，锚索是否跟打到位，检查结果与评价挂钩；注重巷道沿42第4期途危险源辨识并及时提出解决方法。4.5强化工序管理，抓好正规循环在具体工作中，生产科室对综掘生产过程进行跟踪写实，优化劳动组织、改进施工工艺。根据不同时期的工作面条件，分别制定了切实可行的快速掘进方案，对劳动组织、质量管理、验收方法、奖罚办法等详细布置。并根据实际情况不断优化巷道断面设计，对快速掘进需要用的材料、机具提前准备。根据掘进工作实际，突出生产中效率与效益这两条主线，制定切实可行的作业规程和循环图表，合理确定正规循环次数，组织员工保质、保量、安全地完成规定的正规循环率。4.6绩效考核，政策激励到位薪酬分配向一线倾斜，向苦脏累险岗位倾斜。优化调整了采掘一线、井下辅助、地面辅助及后勤服务的收入系数。采掘一线各项奖金系数提高了0.5，采掘月计件工资标准提高了近千元。此外，还专门制定了单产单进激励措施和采掘区队月度考核办法，当月考核、当月兑现，促使区队加强采掘工作面工效和劳动组织管理，稳步提高单产单进。5结语（1）红柳煤矿4煤综掘工作面在松软复合顶板、构造多等诸多不利因素下，通过快速掘进技术的探索、研究和实践运用，创下月进尺1 113 m，有效地缓解了采掘接替紧张局面。随着开采深度的增加，煤层变薄，构造增多，掘进中破岩增多将普遍存在。因此，该项目的成功组织、实施对红柳煤矿今后的生产、发展有着重要意义，为矿井的稳产、达产建设奠定了基础。（2）松软复合顶板半煤岩巷快速掘进是一项综合性的施工工程，选择合理的支护方式、科学合理的施工工艺、最佳的设备配备、作业循环及劳动组织和科学严密的组织管理是该项工程的有效途径。（3）优化掘进作业工序和劳动组织，最大限度实现合理交叉作业，提高掘进作业效率的同时，确保施工质量是快速掘进的重要保障。参考文献：1采矿手册编辑委员会.采矿手册M.北京：冶金工业出版社.1990：32.2唐小波.大断面复合松软顶板倾斜巷道支护技术探讨与实践 J.神华科技，2017，15（11）：24-26，45.3钱鸣高.矿山压力与岩层控制 M.徐州：中国矿业大学出版社，2004.4王建波.预应力短锚索在含水层下复合顶板巷道支护中的应用J.神华科技，2017，15（10）：35-37.蒙鹏科等：复合松软顶板条件下快速掘进的探索与实践Exploration and Practice of Rapid Excavation under the Condition ofComposite Soft RoofMeng Pengke1,Tang Xiaobo2(1.Meihuajing Coal Mine,CHN Energy Ningxia Coal Industry Co.,Ltd.,Lingwu,Ningxia 7514102.Hongliu Coal Mine of CHN Energy Ningxia Coal Industry Co.,Ltd.,Lingwu,Ningxia 751410)Abstract：The driving face of Hongliu Coal Mine is affected by geological conditions,resulting in varying degreesof coal seam thinning,multiple faults,and complex geological structures.Thus,some existing roadways becomeabandoned and unable to delineate recoverable reserves.Besides,due to the increases in the mining depth,thepressure on the roadway surrounding rock,and the difficulty of roadway support,the driving speed increasessignificantly,and the tension in the connection between mining and driving becomes more severe,which hasseriously affected coal production.In order to improve the driving speed under complex geological conditions,thispaper first analyzes the contributory factor to the rapid driving of the fully-mechanized mining face under thecondition of composite soft roof,and based on the actual fully-mechanized mining of the 4th coal mining face inI01 mining area of Hongliu Coal Mine,puts forward the technical measures for rapid driving,including fast cuttingin the process of driving,appropriate support parameters,continuous auxiliary transportation,labor organization andoptimal configuration,so as to achieve the goal of rapid driving and provide reliable technical guarantee of rapiddriving for Hongliu Coal Mine under the condition of composite roof.Key Words：composite soft roof;contributory factor;plan optimization（收稿日期：2022-09-10 责任编辑：王 静）43