对拉充填开采工作面关键技术研究.pdf

2020 年第 5 期2020 年 5 月 中国“三下”压煤资源丰富，因为综合机械化开 采技术生产能力较低，无法完成这部分煤层的开采， 因此，提出对拉充填工作面开采技术。对于对拉工作 面，国内已有不少学者进行过研究，王登峰等[1]针对薄 煤层对拉工作面进行了探讨，为薄煤层设备的选型提 供了参考；董强[2]在明确了地质条件的基础上，确立了 炮采不等长工作面对拉布置技术，不仅为矿井难采区 域的煤炭回收提供了方法，也为矿井的稳定生产提供 了技术保障；宋成义[3]针对对拉工作面布置、巷道掘进 和回采过程中的难题，研究了支护回采工艺以及设备 的合理布置，实现了双工作面同时生产，提高了煤炭 产量；张洋等[4]利用 FLAC3D 数值模拟软件，研究了不 同错距时工作面中间巷围岩应力演化规律及塑性区发 育特征，提高了错距范围内液压支架的支护强度和稳 定性。虽然已有研究对对拉工作面进行了不同程度的 阐述，但是都未对巷道变形和支护 2 个方面的内容进 行分析。鉴于此，本文从巷道变形和支护 2 个角度出 发，针对对拉充填工作面开采的难点进行了数值模拟， 为日后对拉工作面开采工作的顺利进行提供了参考。 1对拉充填工作面开采技术 中国煤炭资源储量丰富，随着大量易开采煤层的 采出，“三下”压煤现象愈加严重。基于“三下”压 煤开采比例的逐步增加，提出了对拉充填工作面开采 技术，如图 1 所示。该技术不同于传统的采矿技术， 它利用 3 条巷道作为进回风巷道，同时开采 2 个生产工 作面。随着工作面的推进，利用带式输送机将煤矸石等 废弃固体运输至运料平巷，借助输送机、充填液压支架 等设备将其充填至工作面采空区，实现双工作面稳定有 序的协调作业，保证 2 个工作面的安全高效生产。 图 1对拉充填工作面开采技术原理图 不同于传统的采煤工艺，对拉充填工作面开采技术 是基于充填开采方法和双工作面布置方法提出来的。该 技术具有 2 种开采方法的优点，有以下特征a 工作 面同时开展采煤工艺和充填工艺，实现了上下工作面同 时开采与充填，满足了现代矿井高效生产的需求。传统 的单一充填开采工作面因为充填效率和工作面推进率 相对较低，无法满足生产需求。b 双工作面的推进减 少了巷道的掘进数量和搬家次数，2 个工作面共用 1 条 运输平巷，减小了回采巷道的掘进量，而且 2 个工作面 同时推进，提高了生产效率。与单一充填工作面相比， 运用该技术，搬家次数减少了，不仅减少了搬家费用， 收稿日期2020-03-13 作者简介郝海涛，1988年生，男，山西长治人，2013年毕业于山 西大同大学土木工程专业，助理工程师。 对拉充填开采工作面关键技术研究 郝海涛 （ 霍州煤电集团吕临能化有限公司，山西 临县 033200 ） 摘要 针对对拉充填开采工作面关键技术使用过程中遇到的难题，利用 FLAC3D 数值模拟软件对不同错距下巷道的 变形量以及有无支护下的巷道变形量进行了分析，得到了在合理错距范围内进行有效支护降低的巷道变形量，为安全生 产提供了保障。 关键词 对拉充填开采工作面；FLAC3D 数值模拟；错距 中图分类号 TD823.7文献标识码 A文章编号 2095-0802-202005-0120-03 Research on Key Technologies of Mining Face by Drawing and Filling HAO Haitao Lvlin Chemical Energy Co., Ltd., Huozhou Coal Electricity Group, Linxian 033200, Shanxi, China Abstract In view of the difficulties encountered in the use of the key technologies in the mining face by drawing and filling, this paper used FLAC3D numerical simulation software to analyze the deation of the roadway under different stagger distances and the deation of the roadway with or without support, and obtained the effective support to reduce the deation of the road- way within the reasonable stagger distance, which provides a guarantee for the safety of production. Key words the mining face by drawing and filling; FLAC3D numerical simulation; stagger distance （总第 176 期） 技术研究 原煤路线 矸石路线 120 2020 年 5 月2020 年第 5 期 还为生产提供了更充裕的时间。运用该技术实现了生 产的高效进行，同时又充分利用了生产产生的煤矸石， 减少了煤矿后期处理煤矸石的麻烦。 对拉充填工作面开采技术因为巷道布置的不同， 生产系统也有所不同。对拉充填工作面开采技术生产 系统主要包括 4 个子系统，即煤炭运输系统、物料运 输系统、通风系统和矸石运移系统，4 个子系统间相互 协调连接，为充填工艺和采煤工艺的协调运行提供了 良好的保障。因为采用双工作面布置，所以有 2 套生 产系统，上下工作面的煤通过中间运输巷运出；运料 系统为上下 2 个工作面材料运输业务服务，且互不干 涉；风量从中间运输巷进入，通过上下 2 条平巷回风， 形成分支型工作面通风系统；矸石运输系统与运料系 统相似，上下工作面分别从上下 2 条平巷进行矸石的 运输，实现了 2 个工作面的独立运输。 开采工艺不同，对设备的需求也不同，其设备配 套选型应该遵循以下原则a 设备的结构性能应该与 工作面的生产能力相匹配，工作面设备之间与设备技 术参数应该相匹配；b 设备的选择应该满足对充填工 作面采煤与充填工艺的协调运行。 对拉充填工作面开采工艺上下工作面不仅需要实 现单个工作面开采与充填的配合，还需实现 2 个工作 面之间的协调配合，这是开采难点之一。此外，上下 工作面采用对拉布置的方式，工作面之间存在一定的 错距，合理的错距是实现对拉充填工作面开采的技术 难点之一。采用对拉充填采煤工艺，2 个充填工作面之 间共用 1 条巷道，中间运输巷道受到 2 个工作面回采 叠加的影响，研究围岩稳定以及控制中间运输巷道的 变形是对拉充填工作面开采的第 3 个难点。 分析上述开采难点，运用对拉充填工作面开采技 术需确保 2 个工作面采煤工艺与充填工艺在时间和空 间上的配合，实现平行开采。此外，还需合理布置错 距长度，而对中间运输巷道的支护，明确矿压显现规 律是核心关键。 2对拉充填工作面合理错距与支护方法 在对拉充填工作面回采的过程中，中间运输巷道 受到 2 个工作面开采的影响，应力重新分布多且复杂， 而且上下工作面存在错距，因此，要重点研究巷道工 作面端、错距端的支护以及围岩稳定性等内容。本文 以晋煤集团 3402 工作面为基础，2 个同时生产的采煤 对拉工作面通过 3 条巷道形成，上工作面的推进总是 同步或超前下工作面，岩层岩性和模拟方案分别如表 1、表 2 所示。 借助 FLAC3D 数值模拟软件对对拉充填工作面错 距进行模拟，在确定错距段支护合理性的同时，提出 合理的支护方法。图 2 为错距为 0 m、20 m、50 m 时 的巷道垂直位移变形云图。由模拟结果可知，当错距 为 0 m 时，巷道变形最小，最大值为 72 mm，最小值 为 8 mm；当上下工作面存在错距时，中间运输巷道的 变形呈现不对称分布，主要是因为中间巷道左右受力 不同，左侧为煤体，右侧为采空区，靠近采空区一侧 的变形明显要大于靠近煤体一侧的变形；当错距进一 步扩大，中间运输巷道的受力差愈加明显，靠近采空 区一侧的变形最大，最高可达到 153 mm，靠近煤体的 一侧最先位移为 8 mm；当错距达到 20 m 时，巷道垂 直位移最大为 106 mm，最小为 8 mm。由此可知，错 距主要影响靠近采空区一侧巷道的变形，仅从受力变 形的角度来说，错距越小越好。 表 1数值模拟岩层力学性能参数 表 2数值模拟方案 图 2不同错距下巷道围岩变形云图 从支护的角度出发，在施工过程中，必须有足够 的错距才可以保证中间运输巷道有足够的支护空间控 制巷道的变形。因为错距的存在，上工作面推进的速 度总是要快于下工作面推进的速度，当上工作面充填 完成，下工作面开采的时候，下工作面生产所需的煤 炭、材料运输和行人通风都需要通过中间运输巷完成。 因此，对中间运输巷进行有效的支护，是防止充填体 岩性高度/m 抗拉强 度/MPa 抗压强 度/MPa 弹性模 量/GPa 内摩擦 角/毅 黏聚力/ MPa 细砂岩5.5815112530 粉砂岩基本底5.0813143025 粉砂岩伪底0.8415173616 煤层0.816361 复合顶砂岩 10.751293618 复合顶煤层 10.77316161 基本顶细砂岩6.5814122630 顶部粉砂岩6.0514163416 序号推进距离/m充实率/错距段长度/m 1300900 23009020 33009050 a 错距为0 mb 错距为20 m c 错距为50 m 郝海涛 对拉充填开采工作面关键技术研究 121 2020 年第 5 期2020 年 5 月 （上接 119 页） 因此很容易使用，内部逻辑是从 USB 端口供电 （ 不需要 外部电源连接，除了对象电源 ） 。所使用的 USB 模块仅具 有隔离的数字输入和输出，如图 4 所示。模块配备模拟 输入/输出通道或热电偶兼容的输入通道，通道皆可用。 ISO.隔离器；DI.开关量输入；DO.数字输出信号；GND.地线； COM.接地点。 图 4USB-4750 卡数字 I/O 终端的简化图 3结语 a 概述了硬件和软件工具，用于支持 PLC 程序的 测试和验证。提出了基于 PC 对象的概念模拟器。模拟 器由硬件和软件两部分组成。硬件部分是电脑配备一 个 I/O 卡，提供 PLC 输入和输出接口。设备的操作由 PLC 控制，模拟了一个程序在电脑上的运行。程序读取 的状态控制信号由 PLC 生成评估适当的反馈信号，并 将它们发送回 PLC 输入通道 I/O 卡。 b 以一个简单的皮带输送机为例介绍了一种解决 方案，例如一个单向驱动、一个电动阀门，用于模拟器 中。通过组合简单元素的模型，用户能够快速构建特 定的模拟器模型。 参考文献 ［1］ 孙世珂， 邵国良， 曲祖俊， 等.矿山运输皮带 PLC 智能控制系 统的研究与应用 ［J］ .数字技术与应用， 20136 29. ［2］ 王洋， 闫晓飞， 彭芳， 等.PLC 在皮带运输机远程控制系统的应 用 ［J］ .信息通信， 20141 273. ［3］ 常春， 刘鹏飞， 幸奠军， 等.负载智能跟踪监控技术在皮带运输 系统中的设计与应用 ［J］ .煤矿现代化， 20133 68-69. ［4］ 贾林娜.变频技术在煤矿皮带机改造中的应用 ［J］ .能源与节 能， 20179 158-159. （ 责任编辑刘晓芳 ） 侧移和保证工作面生产的关键。 图 3 为对拉工作面错距段临时支护与超前支护示 意图。对拉充填工作面技术采用废弃的矸石和煤粉等 废弃固体作为充填采空区的支撑体，因为上工作面推 进的速度总要快于下工作面推进的速度，导致错距段 两侧为不同的岩性，一侧为煤体，一侧为采空区，这 为支护提供了良好的条件。在中间运输巷道内，通过 液压支架对巷道进行超前支护，同时配合挡矸木板共 同支护工作面采空区的矸石，与巷道原有的支护形成 整体支护系统，在保证中间运输巷道有足够支撑空间 的同时，减少了巷道的变形，为安全生产提供了保障。 图 3对拉工作面错距段临时支护与超前支护示意图 通过模拟无支护状态、有支护状态的巷道围岩变 形情况可知，如图 4 所示，有支护时，中间巷道垂直 位移相比无支护状态的变形量减少了 10 m，底鼓量也 稍微降低。这表明，支护有效控制了围岩的变形量， 提高了围岩的稳定性。 a 无支护状态b 支护状态 图 4不同支护状态下巷道围岩变形云图 3结语 对拉充填开采工作面采用 3 条巷道作为进回风巷 道，中间巷道用于运输煤炭，上下 2 个工作面巷道分 别用于运输矸石，形成同时开采的 2 个工作面。 对拉充填工作面开采有 3 个难点上下工作面必 须实现时间以及空间上的配合；错距长度必须合理； 中间运输巷道的支护设计要合理。 在合理的错距范围内，在中间巷道采用临时支护 与超前支护相配合的方式，可以有效控制巷道变形， 实现安全生产。 参考文献 ［1］ 王登峰， 何振乾， 吴成峰， 等.薄煤层炮采对拉工作面设计与实 施 ［J］ .煤矿机械， 2016， 373 35-36. ［2］ 董强.炮采不等长工作面对拉布置技术在杨村煤矿的应用 ［J］ . 内蒙古煤炭经济， 20133 91-92. ［3］ 宋成义.大倾角超长度综采顺拉工作面关键技术研究与实践 ［J］ . 能源与环保， 20182 185-189. ［4］ 张洋， 赵宾， 王方田.深井背拉综采工作面合理错距研究 ［J］ . 能源与环保， 2017， 394 12-16. （ 责任编辑白洁 ） 上部工作面 中间运输巷 下部工作面 超前液压支架 充填区 错距段 挡矸木板 122