掘进巷道过破碎带超前支护参数分析

2021年第2期2021年2月
对于煤矿井下巷道掘进作业而言，由于井下地质条件的复杂多变，一些巷道会不可避免地布设于断层、构造等地质破碎区段[1]。

这些区域不但岩体完整性差，而且多存在特殊的构造应力场，使得巷道掘进通过时较容易出现顶板离层或局部冒顶问题，在影响掘进作业效率的同时威胁巷道支护安全。

有鉴于此，针对掘进巷道过破碎带开展支护探究，探索行之有效的支护措施，对于推动矿井生产的更好发展意义重大。

1工程概述
A 矿井下现阶段主采2#煤层，其中二采区2205运输巷井下埋深在500m 以上。

2#煤层厚度均值为11m ，其上部顶板自下而上依次为厚度2.5m 的厚粉砂岩、厚度5.8m 的厚砂质泥岩和厚度8.9m 的厚中粒砂岩，下部底部以砂质泥岩为主。

整个2205运输巷的掘设施工全部采用沿煤层顶板掘进的方式，巷道断面采用矩形，断面尺寸（宽×高）为4500mm ×3000mm 。

巷道掘进施工中受井下地质构造影响，上部顶板破碎性突出，顶板煤层中节理发育且伴生小断层，使得巷道先后多次发生大面积垮落现象，发生不同程度破坏，严重威胁巷道快速掘进施工和生产安全[2-3]。

为有效避免2205运输巷掘进施工中再次出现顶板垮落事故，提升作业安全性，在对巷道过破碎带支护方式改良的同时，结合现场地质勘探所得数据，对
2205运输巷230~250m 区段进行超前钢管支护测试。

为确保超前支护参数选取的精准有效，特采用FLAC3D 数值模拟手段先对参数及性能进行优化研究，继而再开展实践应用。

2顶板超前支护参数优化分析
结合所研究2205运输巷实际地质状况，借助FLAC3D 数值模拟软件构建相应的厚煤层掘进巷道过破碎区域超前支护三维模型[4]。

整个三维模型尺寸为50m ×40m ×55m ，其中破碎带宽度为5m ，模型计算中超前支护钢管采用Cable 单元按照全长锚固的方式及性能进行等效模拟，模型两侧及底部均施加位移约束，上边界施加5.5MPa 的垂直地应力。

当巷道掘进至围岩破碎区域时，使用直径40mm 的钢管进行超前支护，钢管长度、间距、排距、仰角等影响超前支护效果的参数均通过数值模拟手段进行优化确定。

3
超前支护参数数值模拟结果分析
3.1
掘进巷道顶板水平应力分布特征分析
图1为不同超前支护参数影响下掘进巷道顶板水平应力分布特征变化示意图。

图1中，k 为顶板水平应力集中系数，d 为应力集中区位置。

由图1a)分析可知，伴随钢管仰角的增加，k 值呈现先加后减的变化特性，这说明随着钢管仰角增大，超前支护对顶板的控制效果同样先增后减，其最佳钢管布设仰角为30°，此时顶板具备最强承载力。

由图1b)分析可知，随着钢管长度的
收稿日期：2020-10-26
作者简介：纪文佳，1985年生，男，山西大同人，2009年毕业于太原理工大学采矿工程专业，工程师。

掘进巷道过破碎带超前支护参数分析
纪文佳
（晋能控股煤业集团临汾宏大锦程煤业有限公司，山西临汾041000）
摘要：破碎带作为井下巷道掘进中不可避免的地质区域，确保巷道通过该区域的安全、高效，对于矿井生产综合效
益有着积极影响。

以此为着手点，针对掘进巷道过破碎带超前支护参数开展分析探究。

结合具体工程实际，在利用数值模拟手段进行顶板支护参数优化分析的基础上，对超前支护参数的数值模拟结果进行了分析，并对其实际工程应用做出探究，希望能为其他矿井相似工程的开展提供借鉴和参考。

关键词：矿井；掘进巷道；破碎带；超前支护；数值模拟；实际工程应用中图分类号：TD353文献标识码：A 文章编号：2095-0802-(2021)02-0053-02
Analysis on Advanced Support Parameters of Driving Roadway Crossing Broken Zone
JI Wenjia
(Hongda Jincheng Coal Industry Co.,Ltd.of Linfen,Jinneng Holding Coal Industry Group,Linfen 041000,Shanxi,China)Abstract:Broken zones are the unavoidable geological zones in underground roadway driving.Ensuring the safety and efficiency of the roadway passing through this area is of positive impact on the comprehensive benefits of mine produc-tion.Taking this as a starting point,the analysis and exploration of the advanced support parameters of the driving roadway crossing the broken zone were carried bining with the actual project,on the basis of the optimization analysis of support parameters using numerical simulation methods,this paper analyzed the numerical simulation result of advanced support parameters,and explored the actual engineering application,hoping to provide reference for the development of similar projects in other mines.
Key words:mine;driving roadway;broken zone;advanced support;numerical simulation;practical engineering
application
（总第185期）能源研究
53··
2021年第2
期2021年2月
（下转81页）
500460420380340
25
5075100
钢管仰角/(°)
a)钢管仰角影响统计图
d)钢管排距影响统计图
图1
不同超前支护参数影响下掘进巷道顶板水平应力分布特征
变化示意图
持续增加，k 值持续增加而d 值逐渐降低，这说明所用支护钢管越长，则对巷道顶板的控制效果越佳。

但在钢管长度超过2000mm 后，继续增加钢管长度对支护效果的提升较小，不利于效益最优化。

由图1c)和图1d)分析可知，随着钢管布设间隔和排距的持续增加，k 值不断减小，而d 值持续增加，这说明超前支护钢管布设的排间距越大，越不利于顶板的安全控制。

3.2
掘进巷道顶板变形破坏特征影响规律分析
图2为不同超前支护参数影响下破碎区巷道顶板下沉量变化规律示意图。

由图2a)分析可知，随着钢管布设仰角的增大，破碎区顶板下沉量呈现先减后增的变化特征。

当超前钢管仰角为30°时，顶板下沉量最小，其下沉量数值为370mm 。

这说明超前钢管布设仰角过大或过小均会对顶板的安全维护造成不良影响，最佳布设角度为30°。

从图2b)分析可知，随着布设钢管长度的增加，破碎区顶板下沉呈现持续减小趋势，但当钢管布设长度超过2000mm 时，继续增加钢管长度对顶板下沉的影响效果变得相对较小，出于对作业综合效益最优化的考虑，将钢管长度确定为2000mm 最为适宜。

从图2c)和图2d)分析可知，随着钢管布设间距的增加或排距的持续减小，破碎区域顶板下沉量持续降低。

这说明，超前钢管布设越密集，越有助于提升围岩完整性和承载性。

结合数值模拟结果，综合考虑掘进效率与支护成本，超前钢管布设最佳间距为100~300mm ；最佳排距为600~1200mm 。

6.45.85.24.64.0
1.061.041.031.010.990
255075100
钢管仰角/(°)
k d
a)钢管仰角影响统计图
b)钢管长度影响统计图
6.45.85.24.64.0 1.10
1.071.041.01
0.981.2
1.5
1.8
2.1 2.4
钢管长度/m
k
d 5.45.25.04.84.6 1.101.071.041.010.99
0.30.60.9钢管间距/m
k
d c)钢管间距影响统计图
5.65.35.04.74.4 1.101.071.041.010.98
k
d
0.4
0.7
1 1.3 1.6
钢管排距/m
312304296288
2801.2
1.5
1.8
2.1 2.4
钢管长度/m
b)钢管长度影响统计图
6004503001500.2
0.40.60.8
钢管间距/m
c)钢管间距影响统计图
54··
2021年第2期2021年2月
（上接54页）
能源知识
热水或者用于加热和烘干物料等。

图2为2×800t/d 活
性石灰回转窑窑尾烟气低温余热利用热流图。

5结语
活性石灰回转窑低温烟气余热属中低温余热，结
合工程建设现场条件，采取合理的设计方案进行回收利用能够取得很好的节能效果。

虽然低温余热发电技术可行性强，但电能转化率低，远不及直接换热利用率高，投资经济性有待商榷。

窑尾低温烟气余热利用应重点开发足够数量的热用户，优先考虑副产蒸汽、
热水或者用于加热和烘干物料等，尝试分级逐步利用
也是不错的选择。

参考文献：
［1］梁国强，节连山，王强，等.石灰回转窑烟气余热发电工程的设
计与应用［J ］.耐火与石灰，2018，43(4)：1-3.［2］王新建，黄高全，彭岩.低能耗石灰回转窑废气余热发电有机
朗肯循环工质选择［J ］.矿山机械，2015，43(1)：126-130.［3］SCHUSTER A.，KARELLAS S.，KAKARAS E.,et al.Energetic
and economic investigation of organic rankine cycle applica-tions ［J ］.Applied thermal engineering ，2009，29：1809-1817.［4］刘波，苏国富，刘拓.600t 活性石灰回转窑生产线工艺简介及
技术特点［J ］.耐火与石灰，2011，36(5)：4-7.［5］冯驯，徐建，王墨南，等.有机朗肯循环系统回收低温余热的优
势［J ］.节能技术，2010，28(5)：387-391.
［6］马宇飞.石灰回转窑烟气余热回收利用分析［J ］.能源与节能，
2014(7)：153-155.［7］孙正，花志田，曹芦卫，等.一种活性石灰回转窑利用余热换热
热水装置：CN201911312326.7［P ］.2019-12-19.［8］夏明，刘增，程伟丰，等.石灰回转窑尾气余热利用的一种新工
艺［J ］.耐火与石灰，2015，40(4)：1-2.
（责任编辑：白洁）
图22×800t/d 活性石灰回转窑窑尾烟气低温余热利用热流图
发电量6.93%
冷凝损失50.66%
除尘脱硝损失6.49%原煤烘干
7.29%
排烟损失28.63%
烟气余热100%
图2不同超前支护参数影响下破碎区巷道顶板下沉量
变化规律示意图
360340320300280钢管排距/m
d)钢管排距影响统计图
0.4
0.7
1 1.3 1.6
4实际工程应用分析
基于数值模拟研究结果，结合2205运输巷实际地质状况，设计出针对性的巷道超前支护方案[5]。

超前支护钢管选用直径40mm 钢管，每根钢管长度为2000mm ，布设仰角为30°，布设排间距为1200mm ×600mm 。

在掘进通过围岩破碎区域时，要对循环进尺进行严格控制，单次进尺长度不超过800mm ，控顶距应控制在200~1000mm 。

5结语
在巷道掘进通过围岩破碎区时，在巷道内布设2个顶板位移观测计，对超前钢管支护效果进行监测，其间安排专人每天对相关数据进行监测[6]。

结果显示，在观测期间巷道顶板围岩6m 范围内位移量均小于30mm ，巷道施工完成后40d 巷道变形量开始收敛。

这充分证明通过采取改进后的支护方式，破碎区围岩承
载性得到显著提升，掘进作业安全性得到大幅改善。

参考文献：
［1］梁佳宇.巷道过应力破碎区超前支护装置应用分析［J ］.机械
管理开发，2020，35(9)：231-232.
［2］田中宾.松散煤岩体下掘进支护技术研究［J ］.山东煤炭科技，
2020(3)：34-35.
［3］田文军.大断面煤巷断层破碎区支护措施研究［J ］.山东煤炭
科技，2019(9)：16-17.
［4］韩永.掘进工作面过断层破碎带的安全措施［J ］.山东煤炭科
技，2019(4)：19-20.［5］杨文杰.“钻楔”超前支护技术在破碎带及松软厚煤层掘进中
的应用［J ］.内蒙古煤炭经济，2018(13)：49-50.
［6］康庄.撞楔超前支护在掘进巷道过断层中的应用实践［J ］.山
东煤炭科技，2018(2)：18-19.
（责任编辑：高志凤）
胡定强，等：活性石灰回转窑烟气低温余热利用方案优化设计钽铁矿
钽铁矿产于花岗岩伟晶岩中，常与绿柱石、铌钇矿、钠花石、锂辉石、磷铝石等共生。

矿物含Ta 2O 541%~84%，Nb 2O 52.0%~40%，是提取钽铌的重要矿物。

纯的钽铁矿是少见的，常常有铌，与铌铁矿是一个系列，铌铁矿是矿物系列另一端成员。

当纯的时候，钽铁矿的比例是7.9，随铌含量增加而减少。

钽铁矿可以根据很高的比例、黑色和一组完全的解理辨认出来，钽铁矿和铌铁矿产在花岗岩及有关的伟晶岩中，与黑钨矿、锡石、细晶石共生。

钽是抗酸腐蚀的金属，用于化学装置上、外科手术的胪骨固定片和缝针、电子管中和工具钢中。

81··。