基于断面优化的煤巷采掘效率提升方案研究

2022-01-23张建国

山西冶金 2021年6期

关键词：拱形梯形塑性

张建国

（西山煤电建筑工程集团有限公司矿建分公司，山西太原 030053）

巷道掘进工作由于煤矿的不断开采，面临的地质条件越来越复杂，掘进的速度也严重影响了矿井的生产安全。如何提高巷道掘进的速度、拉低巷道成本、保障安全高效开采主要取决于能否选择适合的巷道断面形状、有效的支护方案及快速掘进工艺[1-3]。

1 矿井概况

以某煤业为例，选择的矿井为3号煤层，规模为300万t/a，工作面在矿井田西北部，工作面设计长度为200 m，顺槽长度是1 960 m，煤层均厚5.6 m，标高250～500 m，藏深440～680 m。其顶底板岩性如表1所示。

表1 3号煤层顶底板岩层分布表

煤矿在2018年就规划创立该矿井的专业开拓及掘进队，并且整个采掘工作都采用先进的综合机械化掘进工艺完成的，鉴于煤矿的特殊地质结构以及3号煤层的复杂地质情况，而且存在员工技术水平不高以及整个施工管理不畅等问题，致使整个工作效率低下。因此，对于3号煤的快速采掘工艺的研究和优化迫在眉睫。

2 试验巷道复杂地质条件表现特征

在开展煤巷快速掘进工作之前，对巷道工作区域的地质特征进行详细掌握对于采掘工艺的选择和设计意义重大，煤矿的回风顺槽复杂地质条件的表现特征为：

1）直接顶的泥岩和伪顶的炭质泥岩都是软岩，容易塌落。

2）工作面所在位置的地质复杂，褶皱、断层比较多，围岩易碎。

3）矿井的煤层富含较多的瓦斯，且压力较为大，开展瓦斯防治工作是必然的。

3 煤矿井下巷道断面优化

3.1 煤矿井下巷道断面数值模拟研究

在进行煤矿井下巷道断面数值模拟工作中，采用FLAC 3D软件，设定实际工作面煤层的具体相关参数，随后进行数值模拟计算模型的建立。同时在进行计算时还要如实模拟支护条件，分别分析不同支护条件下的掘进过程，得到不同形状断面的力学数据，通过分析比较，得到科学的巷道断面方式。

分析数值模拟结果，如图1、图2、下页图3所示。

图1 拱形和梯形巷道垂直应力分布

图2 拱形和梯形巷道垂直位移分布

图3 拱形和梯形巷道塑性区分布

3.2 巷道断面模拟结果分析

图1是巷道垂直应力分布情况，可以看出拱形和梯形断面巷道在掘进过程中产生的最大垂直应力分别为21.8 MPa、25.7 MPa；而两者的最大水平应力经过数值模拟分别得出为18.3 MPa，20.7 MPa；很显然，拱形断面巷道比梯形断面巷道引起的应力要小的多。

图2是巷道垂直位移分布情况，可以看出拱形和梯形断面巷道在掘进过程中产生的最大顶板下沉量分别为21.9 mm、47.7 mm；经过数值模拟，两者的两帮最大收缩量分别为39.8 mm、82.5 mm；最大底臌量分别为18.0 mm、29.7 mm；显然，在掘进过程中距工作面10 m处，拱形断面巷道比梯形断面巷道引起的巷道收缩量要小的多。

图3是巷道塑性区分布情况，可以看出拱形和梯形断面巷道顶板塑性区深度分别为1.5 m、2.7 m；二者两帮塑性区深度分别为1.5 m、3.0 m；而底板塑性区深度分别2.0 m、3.0 m；经过比较，梯形断面比拱形断面巷道的塑性区发育范围大得多。

从图1、图2、图3可以得知选取拱形断面巷道时，断面所受应力更小、围岩变形量小同时塑性区破坏较小，表明拱形断面巷道在此类地质情况下对后续的采掘工作和安全性保障等方面工作的进行是最有利的，能够有效地增加掘进效率，充分保障采掘工作中的安全问题。因此遇到与该工作面类似的复合顶板岩层时，选用拱形断面巷道掘进更好。

4 快速掘进工艺流程及方案优化研究

4.1 掘进设备及配套设备优化研究

综采设备对采掘工作的效率和安全性产生很大的影响，所以在进行采掘工艺的设计优化过程中，必须对采掘的设备和配套装置进行认真的选择，所选的设备需要对地质形况和断面形状有较高的契合度，这样才能使得设备的性能发挥出来，提升采掘效率。

在此优化方案中采用的设备有：综掘机（EBZ-200H悬臂式掘进机）；配套装备见表2。

表2 配套设备汇总表

4.2 施工工艺优化

在设备的截割方面。综掘机进行截割工作所采取的路线参照图4进行，将2号位设定为切割开始的位置，设定切割深度为200 mm，随后按S型路线，选择进刀位置在巷道顶部，最终切割终点为设计的断面位置，待切割完成，综掘机及相关辅助设备退出，随后完成支护工作，依此工序进行循环，这种工序的安排能够最大程度的减少煤层中的应力作用，能够实现高效的实现煤炭的开采，同时，当设计的开采工序能够保持煤层较小的应力作用，那么整个采掘过程安全性将会得到有效保障，减少了很多不利情况的发生。