Process optimization and application of bolter miner for “three-soft” thick coal seam mining roadway
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摘要:
“三软”厚煤层回采巷道围岩整体强度低，且岩层结构组合普遍变化较大，造成掘进工作面悬露顶板稳定性差异明显，部分顶板稳定性较差区域无法直接采用掘锚一体机及配套施工工艺，造成掘进工作面频繁停工，整体掘进效率下降。针对此类问题，以沙吉海煤矿“三软”厚煤层回采巷道为工程背景，采用现场调研、理论分析、数值模拟等综合研究方法，阐明了掘进工作面悬露顶板漏冒、掘锚一体机陷入底板或跑偏、煤壁片帮是制约掘锚一体机在“三软”厚煤层回采巷道中应用的关键制约因素；考虑悬露顶板厚度、扰动影响系数、顶板各岩层强度及各岩层完整性等参量的影响，建立和推导了掘进工作面悬露顶板极限跨距计算公式；形成了以掘进工作面悬露顶板极限跨距计算为主导的巷道围岩稳定性分级方法，将“三软”厚煤层回采巷道围岩划分为极稳定、稳定、中等稳定、不稳定、极不稳定5个级别；提出了不同稳定性级别围岩条件下掘锚一体机装备及施工工艺分类优化方案，并从截割滚筒位态调整、底板接地处理、巷帮作业平台增设等方面给出了困难作业环境下掘锚一体机应用对策。研究成果在沙吉海煤矿B1003W05工作面巷道进行了工程应用，其分类优化方案可有效保障掘锚一体机在“三软”厚煤层中的正常运行，相比邻近巷道采用悬臂式掘进机综掘工艺，掘进速度提升了1.0～1.8倍。
Abstract:The overall strength of the surrounding rock of “three-soft” thick coal seam mining roadway is low, and the combination of rock structure generally changes greatly, resulting in obvious differences in the stability of hanging roof of driving face, and some areas with poor roof stability cannot directly adopt bolter miners and supporting construction technology, resulting in frequent stoppage of driving face and a decrease in the overall driving efficiency. In view of such problems, taking “three-soft” thick coal seam mining roadway of Shajihai Coal Mine as engineering background, and using comprehensive research methods such as on-site research, theoretical analysis and numerical simulation, it was clarified that roof leakage of driving face, bolter miner falling into the floor or mistracking, and rib spalling are the key constraints restricting the application of the bolter miner in “three-soft” thick coal seam roadway. Considering the influence of parameters such as the thickness of the hanging roof, the influence coefficient of disturbance, the strength of each rock layer of the roof and the integrity of each rock layer, the calculation formula of the limit span of hanging roof of driving face was established and derived. A stability grading method for surrounding rocks of roadway was formed dominated by the calculation of the limit span of hanging roof of driving face, and surrounding rocks of “three-soft” thick coal seam roadway is divided into 5 grades: extremely stable, stable, moderately stable, unstable and extremely unstable. Classification and optimization scheme of bolter miner equipment and construction process under different stability levels of surrounding rock is proposed, and the application countermeasures of bolter miner under difficult operating conditions are given from the aspects of cutting drum position adjustment, floor grounding treatment, and addition of roadway operation platform. The research results were applied in the roadway of Shajihai Coal Mine No.B1003W05 working face, and its classification optimization scheme can effectively ensure the normal operation of the bolter miner in “three-soft” thick coal seams, and the driving speed is increased by 1.0−1.8 times compared with fully-mechanized driving of boom-type roadheader.
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Keywords:
- “three-soft” thick coal seam /
- mining roadway /
- bolter miner /
- mining technology /
- fast driving
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图 1 B1003W05采煤工作面区域地质柱状图
Figure 1. Geological histogram of No.B1003W05 working face area
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图 5 岩梁上任意点的应力分析
q—悬露顶板所受荷载；R—悬露顶板两端垂直方向上受到的反力；Md—均布荷载在悬露顶板两端产生的弯矩；L—悬露顶板的极限跨距；A—截面Ⅰ—Ⅰ ′上内任意点；σx—垂直应力；τx—剪应力
Figure 5. Stress analysis at any point on a rock beam
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图 6 采煤工作面位置关系及数值模型
Figure 6. Position relationship and numerical model of working face
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图 8 不同荷载和扰动影响类型下掘进工作面悬露顶板极限跨距计算结果
Figure 8. Calculation results of limit span of hanging roof of driving face under different load and disturbance influence types
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图 9 掘锚循环及时支护原理
Figure 9. Schematic diagram of driving-bolting cycle and timely support
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图 11 巷帮施工工艺优化及现场应用
Figure 11. Process optimization and on-site application of rib side construction
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图 12 B1003W05工作面巷道围岩稳定性分级
Figure 12. Stability grading of rocks surrounding No.B1003W05 working face roadway
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图 13 不同围岩稳定性巷道支护参数
Figure 13. Roadway supporting parameters of different surrounding rock stability
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图 14 不同掘进设备施工条件下巷道掘进速度对比
Figure 14. Comparison of roadway driving speed under different driving equipment conditions
表 1 煤层及顶底板各分层岩石力学参数
Table 1 Mechanical parameters of each layered rock of coal seam, roof and floor
层标 内摩擦角/
(°)黏聚力/
MPa密度/
(kg·m−3)剪切模量/
GPa体积模量/
GPa粉砂岩 37.1 4.90 2440 4.7 4.0 泥岩 27.5 4.72 2390 4.3 2.7 粉砂质泥岩 29.5 4.72 2390 4.3 2.7 B10煤层 25.7 3.17 2200 2.6 2.2 泥岩 27.5 4.72 2390 4.3 2.7 泥质粉砂岩 32.5 4.72 2300 4.3 3.5 B9煤层 25.7 3.17 2200 2.6 2.2 B8煤层 25.7 3.17 2200 2.6 2.2 
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表 2 不同悬露顶板极限跨距掘进施工工艺及顶板支护对策
Table 2 Driving techniques and roof support countermeasures of different hanging roof limit span
悬露顶板极限跨距L/m 围岩稳定性 顶板控制形式 掘锚一体机装备施工工艺关键参数 截割滚筒嵌入深度/m 履带接地处理 巷帮煤壁支护方式 L>2.8 极稳定 普通锚杆索联合支护 — — 机载式锚杆钻机支护 2.2 <L≤2.8 稳定 锚网索分级控制 — 适时增加履带接地面积、及时增设排水
设备、严格控制施工用水机载式锚杆钻机支护 1.8 <L≤2.2 中等稳定 锚网索分级控制 — 帮部作业平台及时支护 0.8 <L≤1.8 不稳定 锚网索分级控制 ≥0.8 帮部作业平台及时支护 0 <L≤0.8 极不稳定 层次控制+超前预注浆 ≥0.8 帮部作业平台及时支护
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