屯兰矿半煤岩巷掘进机选型与截割工艺研究_要华伟.pdf

1182023 年第 2 期屯兰矿半煤岩巷掘进机选型与截割工艺研究 要华伟（西山煤电（集团）有限责任公司，山西 太原 030053）摘 要 根据屯兰矿半煤巷道掘进设备选型存在的切割工艺、围岩稳定性问题，通过对围岩力学分析，采用数值运算分析巷道掘进过程中围岩稳定性，提出后期支护措施，支护措施中锚杆长度不得小于 8 m。结果表明：选用 EBZ-160 型掘进机可以满足屯兰矿半煤岩巷掘进要求，采用该设备进行上、下部交替掘进工艺，围岩整体稳定，煤层顶板轻微变形。根据数值运算，顶板竖向最大沉降距离 8 m，采用的锚杆不得低于 8 m。关键词 岩性分析；设备选型；数值模拟中图分类号 TD263.3+2 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.042Study on Type Selection and Cutting Technology of Roadheader for Semi Coal and Rock Roadway in Tunlan MineYao Huawei(Xishan Coal Electricity(Group)Co.,Ltd.,Shanxi Taiyuan 030053)Abstract:According to the problems of cutting technology and surrounding rock stability existing in the driving equipment type selection of semi coal roadway in Tunlan Mine,through the mechanical analysis of surrounding rock,the surrounding rock stability in the process of roadway driving is analyzed by numerical operation,and the later supporting measures are put forward.The length of anchor rod in supporting measures should not be less than 8 m.The results show that the selection of the EBZ-160 type roadheader can meet the driving requirements of semi-coal and rock roadway in Tunlan Mine.By using this equipment,the upper and lower parts are excavated alternately,the surrounding rock is stable as a whole,and the roof of coal seam is slightly deformed.According to the numerical calculation,the maximum vertical settlement distance of the roof is 8 m,and the anchor rod used should not be less than 8 m.Key words:lithology analysis;equipment selection;numerical simulation 收稿日期 2022-07-08作者简介 要华伟（1972），男，山西临汾人，2010 年毕业于中国矿业大学采矿工程专业，高级工程师，现就职于霍州煤电集团有限责任公司，从事矿山安全生产技术及管理工作。要华伟：屯兰矿半煤岩巷掘进机选型与截割工艺研究 要华伟：屯兰矿半煤岩巷掘进机选型与截割工艺研究 随着科学技术不断发展，矿井巷道掘进技术随之飞速发展。我国专家学者关于巷道掘进技术进行了大量研究，包括设备选型、掘进围岩应力研究等1-8，设备选型主要依据地质条件、掘进速度，对切割过程中围岩动态稳定性分析较少。为确定屯兰矿半煤岩巷道掘进设备型号，对围岩岩性、切割要求进行综合分析，通过分析围岩稳定性和煤层切割过程中围岩切割断面应力分布情况，研究综合机械化掘进设备选型合理性。1 工程概况屯兰矿掘进 12606 工作面为半岩半煤巷道，巷道为矩形断面，设计高度 2.5 m，宽度 5.4 m，开采6#煤层。煤层平均厚度 0.9 m，平均倾角 3，煤层呈层理发育，煤层硬度 34，煤岩较硬。顶板最大硬度为 5，底板最大硬度为 7，巷道采用综合机械化掘进法掘进。顶底板情况见表 1。综合分析，12606 工作面运输顺槽掘进过程中，中部煤层厚度比较薄，仅有 0.9 m，顶板岩层为较软的泥岩，泥岩总厚度 4.05 m，为掘进机掘进范围，顶板较硬的细砂岩不会被掘进机破碎。底板粉砂岩较硬，为掘进机掘进范围。2 设备选型依据 12606 工作面运输顺槽掘进要求，每循环需要进尺 1 m 时，掏槽深度为 0.5 m，通过二次掏槽方式进行掘进。吃刀深度和截割头直径一致，切割较为坚硬的砂质泥岩时，吃刀深度取0.5 m为宜，1192023 年第 2 期要华伟：屯兰矿半煤岩巷掘进机选型与截割工艺研究 要华伟：屯兰矿半煤岩巷掘进机选型与截割工艺研究 从左到右截割。截割时，低转速运转速度为 22 r/min，高转速截割转速为 47 r/min，截割煤体采用高转速，截割岩体为低转速。截割煤体时，速度可以适度增大，截割岩体时尽量减小。根据 12606 工作面运输顺槽掘进要求，选型设备为 EBZ-160 型掘进机，该设备截割头长度9251025 mm。为保证截割头工作平稳、截齿受力均匀，结合截割底部硬岩的具体条件，建议掏槽深度的最小值取循环进尺的 1/2。所选型的设备完全可以有效切割煤层底板的粉砂岩、顶板泥岩以及煤层，设备刚度完全满足要求。为保证切割工艺对后期支护影响较小，需要对掘进过程中围岩稳定性进行分析。表 1 6#煤层围岩概况顶底板名称岩石类别厚度/m岩性特征顶板老顶细砂岩4.5呈灰白色，成分以长石、石英为主直接顶碳质泥岩3.3呈灰色，贝壳状断口伪顶泥岩0.75黑色，脆性底板直接底粉砂岩0.45灰色，内含云母、黄铁矿老底泥岩3灰白色、含砂质3 综掘过程围岩演化规律研究根据 EBZ-160 型掘进机设备参数，切割过程中会产生 120 MPa 的应力，切割设备的切割齿可以满足刚度要求。为研究掘进过程中围岩稳定性，对掘进过程进行数值模拟研究。首先对围岩基本参数进行测定，现场取顶底板岩层及煤层送往实验室进行岩性基本参数测试，取得的岩层样本和实验过程如图 1。实验室测得围岩基本参数见表 2。图 1 实验样本及实验过程模拟几何模型如图 2（a）。为保证数值运算结论准确性，几何模型按照 1:1 比例进行设计。假设岩层老顶、直接顶、伪顶、6#煤层、直接底、老底均为均匀介质，岩性一致。岩体、煤体中无液相、固相介质渗流作用，岩体整体为弹性介质。选用软件 COMSOL Multiphysics 进行运算，模型边界为固定约束，巷道断面为自由面，掘进机钻头逆时针钻进，掘进单轴断面为圆形，断面直径 1 m，掘进齿产生切向 120 MPa 的应力。通过计算得到掘进巷迎头围岩位移分布云图如图 2（b）。表 2 模拟参数表区位岩性密度/（kg/m）单轴抗压强度/MPa弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/（）老顶细砂岩1 863.8623.5211.662.153.2326.36直接顶炭质泥岩1 863.9323.5211.662.153.2326.36伪顶泥岩1 868.7426.539.9024.754.062.976#煤层煤体1 568.2712.231.940.781.1620.07直接底粉砂岩1 844.8426.0211.4723.203.122.05老底泥岩1 826.5825.7611.3522.973.092.03（a）几何模型图（b）迎头围岩应变云图图 2 掘进过程迎头应变数值模拟图1202023 年第 2 期根据图 2 模拟结果可知，掘进机逆时针运转时，产生的作用力影响范围主要为掘进机钻进区域周边，掘进机钻进装备周边应变呈现不均匀性，最大应变达到 340 mm。模拟基于有限元理论，因此模拟结论在弹性范围内，现场应变达到 100 mm 范围为煤岩体被掘进机剥离的应变极限。因此可知，采用掘进机作业时，巷道轮廓线顶板竖向有 12 m 范围的围岩被剥离掉，底板右帮区域出现最大竖向剥离范围为 1.6 m，由于掘进仅旋转呈逆时针，因此底板和顶板水平向应变呈不对称性。根据数值模拟研究结果可知，巷道掘进过程中，掘进机逆时针旋转掘进会在巷道周边形成围岩破碎区域带，应变变化比较大的区域主要分布在围岩顶板、底板位置，钻进有效部位周边会形成岩层冒落带、裂隙带、沉降带。根据模拟结果可知，冒落带为掘进钻进区域周边 2 m 范围内，23 m 范围内为裂隙带，沉降带为 38 m。在巷道掘进过程中，周边有 2 m 范围的岩体会因为掘进机作用而被剥离，顶板、底板均会出现被剥离的现象，巷道断面为矩形断面，因此掘进机最好为左右移动，可减少掘进机对顶板、底板的破坏，顶板破坏范围过大会导致后期巷道支护难度增加，因此合理运转掘进机可大大降低顶板破碎程度。巷道后期支护需以锚杆+锚索组合支护为主，根据破坏程度，巷道顶板破坏范围为 8 m，因此设计的锚索长度不得小于 8 m，根据数值模拟结果合理布置锚杆、锚索密度。底板支护过程中需要加强支护右帮应变量比较大的区域，依据模拟结果对底板破碎区域进行固化，随后进行支护。4 掘进效果分析根据数值模拟研究分析，选用 EBZ-160 型掘进机进行巷道掘进过程中，围岩会出现一定的破坏，尤其是对煤层顶板的沉降影响更加显著。但掘进过程中可以正常切割煤层以及巷道顶底板夹矸层、岩层。采用 EBZ-160 型掘进机现场掘进过程中，巷道围岩顶底板整体未出现大的变形。巷道掘进工艺如图 3，巷道掘进采用上、下部交替作业的方式进行。巷道现场掘进过程中围岩整体稳定，煤层顶板变形量比底板变形量大，顶板出现轻微下沉现象，且掘进过程中顶板有较多小粒径破碎煤岩体垮落，均为正常现象。综合分析，现场掘进情况和数值模拟结果一致。图 3 12606 运输顺槽掘进工艺图5 总结屯兰矿半煤岩巷掘进过程中掘进机的选型合理性至关重要，为保证巷道掘进安全以及后期支护稳定，对掘进设备进行合理选型，对掘进过程中围岩稳定性进行数值模拟研究，提出后期支护合理化建议，得到以下结论：（1）通过巷道掘进过程基本参数选型的设备为 EBZ-160 型掘进机。（2）通过数值模拟，掘进机单轴掘进围岩三带为：冒落带为掘进钻进区域周边 2 m 范围内，23 m 范围内为裂隙带，沉降带为 38 m。（3）根据数值运算提出建议：设计的锚索长度不得小于 8 m。（4）现场考察过程中，巷道正常掘进过程中围岩整体稳定，顶板轻微变形。【参考文献】1 殷帅峰，左安家，马丽洁，等.中厚煤层窄煤柱沿空掘巷围岩稳定性研究 J.煤炭工程，2022，54（05）：90-96.2 张子健，云明，徐庆国，等.切顶条件下窄煤柱沿空掘巷围岩稳定性研究 J.煤炭技术，2022，41（05）：68-71.3 曹金钟，高乐，闫鹏飞，等.采空区遗留煤柱下方回采巷道失稳特征及控制技术研究 J.工矿自动化，2022，48（04）：44-52.4 张志文.沿空掘巷围岩稳定性数值模拟及联合控制 分 析 J.机 械 管 理 开 发，2022，37（02）：207-208+213.5 张守宝，皇甫龙，王超，等.深部高应力双巷掘进巷道围岩稳定性及控制 J.中国矿业，2022，31（02）：104-112.6 郝凯.高应力区域掘进巷道围岩稳定性分析 J.江西煤炭科技，2022（01）：14-15+18.7 王英明.新安煤矿 3416 材料巷围岩稳定性控制