（采矿工程专业论文）石嘴山二矿水平巷道单巷快速掘进技术研究.pdf

论文题目：石嘴山二矿水平巷道单巷快速掘进技术研究 专业： 硕士生： 指导教师： 采矿工程 张征 柴敬 摘要 ( 签名) q 1 ；豇 ( 签名) 兰勉 随着我国的煤炭形势好转，煤矿采煤技术和采煤方法得到了不断更新。但是相比之 下，掘进技术仍然没有得到很好的发展。主要是由于很大部分的矿井仍然机械化程度不 高，且工艺组织不够合理，掘进速度受到定的限制。本方以石嘴山二矿煤、岩巷的掘 进施工为背景，对水平巷道单巷掘进技术进行了研究。 本文阐述了水平煤、岩巷道单巷掘进技术，简单叙述了水平巷道施工的破、装、运、 支的基本工艺过程和煤、岩巷水平单巷施工机械化配套作业线。在岩巷机械化配套作业 线中，分别介绍了以侧卸式装岩机为主和以耙斗式装岩机为主的机械化配套作业线；在 煤巷机械化配套作业线中，主要介绍了以综掘机为主的机械化配套作业线。从施工工艺、 掘进设备、地质条件及施工组织管理等几个方面对快速掘进的影响因素进行了分析，并 在此基础上为实现快速掘进提出了可参考的技术措施。 在以上理论的基础上，本文通过p d c a 全面质量管理模式的方法，按照p ( p l a n ) 一 计划，d ( d o ) 一实施，c ( c h e c k ) 检查，a ( a c t i o n ) 处置四个大的基本步骤，对石嘴山二 矿2 4 7 5 回顺煤巷和+ 6 0 0 南轨道巷岩巷的施工工艺过程进行了分析。在综掘法施工煤巷 和钻爆法施工岩巷的过程中，找出了影响施工工艺和掘进速度的内部因素和外部因素， 并分析了这些因素对施工工艺和掘进速度的影响程度，对发展快速掘进技术具有一定的 参考价值。 关键词：快速掘进；钻爆法施工；综合机械化施工；水平巷道；影响因素 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h es t u d yo ft h ec e l e r i t ys i n g l et u n n e l i n gt e c h n i q u eo ft h e h o r i z o n t a lt u n n e li nt h es e c o n ds h i z u i s h a nm i n i n g s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：z h a n gz h e n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：c h a ij ing(signature) a b s t r a c t a st h es i t u a t i o ni sb e t t e ro fo u rc o u n t r y sc o a ls i t u a t i o n ，t h ec o a l m i n i n gt e c h n o l o g ya n d t h ec o a l m i n i n gs y s t e mo b t a i n e dt h eu n c e a s i n gr e n e w a l b u tu n d e rr e l a t i v i t y , t h et u n n e l i n g t e c h n o l o g ys t i l lh a sn o to b t a i n e dt h ev e r yg o o dd e v e l o p m e n t p r i n c i p a l l yb e c a u s et h e m e c h a n i z e dd e g r e eo fag r e a td e a lo fm i n e si sn o ts t i l lh i g h ，a l s ot h ec r a f to r g a n i z a t i o n i n s u f f i c i e n t l yw a sr e a s o n a b l e ，t t m n e l i n gv e l o c i t yh a db e e nr e s t r i c t e d s ow ec o n s t r u c tf o rt h e b a c k g r o u n db yt h es e c o n ds h i z u i s h a nm i n i n g , t u n n e l i n go ft h ec o a lr o a da n dr o c kd r i f t ， c a r r i e do nr e s e a r c ht os i n g l et u n n e l i n gt e c h n i q u eo f t h eh o r i z o n m lt u n n e l t h i st e x th a se x p l a i n e dt h es i n g l et t m n e l i n gt e c h n i q u eo fh o r i z o n t a lc o a lr o a da n dr o c k d r i f t ，s i m p l i c i t yn a r r a t eh o r i z o n t a lt u n n e lc o n s t r u c t i o nb a s i cc r a f tc o u r s e ，b r e a k i n g ，c o a l i n g ， s t r a p - t r a n s p o r t e r , b r a n c h ，a n dt h em e c h a n i z e dr e l a t e dp r o d u c t i o nl i n eo ft h es i n g l et u n n e l i n g t e c h n i q u eo fh o r i z o n t a l c o a lr o a da n dr o c kd r i f t i nr o c kd r i f tm e c h a n i z a t i o nn e c e s s a r y p m d u c t i o nl i n e ，i n t r o d u c e ds e p a r a t e l ym e c h a n i z a t i o nn e c e s s a r yp r o d u c t i o nl i n eo ft a k i n gs i d e p u m ps h o v e ll o a d e ra n dt h er a k eb a s k e tt y p ec h a r g i n ga st h ef o c u s ；i nc o a lr o a d ，m a i n l y p r o d u c e dt h em e c h a n i z a t i o nn e c e s s a r yp r o d u c t i o nl i n eo fb yf u l l y - m e c h a n i z e dm a c h i n e p r i m a r i l y f r o mt h ec o n s t r u c t i o nc r a f t ，t h ea m n e l i n ge q u i p m e n t ，t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n d t h ec o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o nm a n a g e m e n ta n ds oo ns e v e r a la s p e c t sh a v ec a r r i e do nt h e a n a l y s i st ot h eh i g h s p e e dd r i v i n gi n f l u e n c ef a c t o r , a n do f f e r e dt h et e c h n i c a lm e a s u r em i g h tb e r e f e r r e df o rr e a l i z i n gh i g h s p e e d i n gt u n n e l i n gt e c h n i q u eo nt h i sb a s i s o nt h eb a s i so ft h e a b o v e m e n t i o n e dt h e o r i e s ，t h i st e x tp a s s e sp d c ao v e r a l lq u a l i t ym a n a g e m e n tm o d em e t h o d ， a c c o r d i n gt ot h ef o u rb i gb a s i cs t e p so fp ( p l a n ) 一p l a n ，d ( d o ) 一d o ，c ( c h e c k ) 一c h e c k ，a ( a c t i o r l 、一a c t i o n , h a sa n a l y z e dt h ec o n s t r u c t i o nc r a f to f2 4 7 5a i rr e t u r nc o a lr o a da n d6 0 0 s o u t ht r a c kr o c kd r i f ti nt h et w oo r ec o a lo ft h es e c o n ds h i z u i s h a nm i n i n g ，i tf i n do u tt h e i n t e r n a la n de x t e r n a lr e a s o nt oi n f l u e n c et h et u n n e l i n gs p e e di nt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o nt h e c o a lr o a db yc o m p r e h e n s i v em e c h a n i z a t i o na n dc o n s t r u c t i o nt h er o c kd r i f tb yd r i l l i n g d e m o l i t i o nm e t h o d ，a n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c ed e g r e e sa b o u tt h ef a c t o r st oc o n s t r u c t i o nc r a f t a n dt u n n e l i n gs p e e d ，i tw o u l dh a v et h ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et od e v e l o p st h eh i g h s p e e d d r i v i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：s p e e d yd r i v a g ed r i l l i n gd e m o l i t i o nd r i v a g ec o n s t r u c t i o n f u l l y m e c h a n i z e dd r i v a g ec o n s t r u c t i o n h o r i z o n t a lt u n n e l i n f l u e n c ef a c t o r t h e s i s： a p p l i c a t i o ns t u d y 压妻料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期：阳6 歹 门袁f 厂 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： ， 指导教师签名：。物 7 弼年厂月 日 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 我国煤炭开采以井工为主，煤矿巷道掘进与支护工程量很大。2 0 0 4 年国有重点煤矿 掘进总进尺达5 0 4 5 k m ，其中煤巷约4 4 8 0 k m ，占8 8 9 ；全国2 5 6 个综采工作面年耗回 采巷道8 2 0 k m ，其中综掘总进尺达6 5 0 k m r “。煤岩巷掘进与支护正在成为煤矿高效安全 集约化生产的技术瓶颈，是当前煤炭工业亟需研究开发的重大共性关键性技术，因此研 究煤岩巷道的快速掘进技术对煤矿的高产高效有着重要的意义。 巷道掘进是一个综合的施工工艺，它不仅取决于掘进设备的现代化程度，而且与各 生产工序紧密相连。巷道的掘进速度直接影响了煤矿的开采速度，同时由于准备巷道不 能按时就备，影响了工作面的及时接替。对于基层煤矿来说，煤巷掘进对生产的制约更 明显、更直接。近年来，煤巷快速掘进技术在我国许多煤矿有了很大发展，但仍有些关 键环节的技术未得到很好的解决。 无论是引进还是国产的设备，一旦进入掘进循环系统，均难以达到快速掘进的要求， 采掘比例失调现象仍很严重。这除了由于掘进机本身可靠性的影响外，主要配套环节， 包括支护、转载、运输、供电、供排水、通风、通讯、安全等，是掘进速度受到制约的 关键因素。据测算，一般情况下一个循环中支护时间占总时间的5 0 6 0 ，切割占 2 0 3 0 ，系统的故障影响占1 0 1 5 。如能解决支护与掘进同步，就可大大提高 单位时间内的掘进速度圆1 3 】【4 】。 如石嘴山二矿是一座年产2 0 0 万吨的中型矿井，受各种因素影响，煤、岩巷掘进速 度较低，目前的煤巷掘进速度约为1 5 0 m 月，岩巷的掘进速度约为7 0 m 月，造成多头掘 进，生产分散，辅助工作量大，辅助人员多，占用设备多，掘进成本较高，从而影响工 作面的正常接替，很大程度的影响了煤矿的生产经济效益。因此研究改进施工工艺和引 进先进设备，实现采掘锚相匹配，实现快速掘进是非常必要的。 本文通过对石嘴山二矿煤、岩巷掘进影响因素的分析研究，找出影响快速掘进主要 原因，为实现煤、岩巷道实现快速掘进提供了一定的参考。 1 2 岩巷掘进的发展现状 随着煤炭工业的发展，煤矿建井技术水平有了很大提高。尤其是岩巷掘进技术，如 锚喷支护技术的推广应用，中深孔爆破，机械化程度的提高，形成了比较成熟的机械化 作业线，大大加快了岩巷掘进速度【5 】。岩巷的掘进施工方面，世界上主要有两种施工手 段：一钻爆法施工，即传统的打眼、放炮、化整为零的掘进方法；另一种为采用掘进机 西安科技大学硕士学位论文 整体掘进7 1 。 1 2 1 钻爆法施工掘进 1 、凿岩机 5 0 年代初，我国生产出手持风动凿岩机，5 段秒延期电雷管，中空钢钎和硬合金钻 头，很快改变了手工打眼、多次放炮、劳动强度大、工效低的落后局面。随后，简易风 动凿岩机钻架和气腿式凿岩机的出现，以及湿式凿岩的推行，摆脱了人抱钻的笨重劳动 并改善了劳动环境，进一步提高了钻眼的效率，加快了掘进速度。7 0 年代以后，又相继 研制出凿岩台车、钻装机和液压凿岩机。近年来，由于液压凿岩技术的大力发展，形成 了钻、装、运、支等机械化配套作业线；法、英、德等相继开发出了一机多用的机组， 简化了工作面的作业设备，缩短了机械搬、调、运时间，提高了掘进工效和速度。美国 采用内燃机钻车与铲运机( l h d ) 掘进岩巷，取得了良好效果，而且还开发出了微机控制 的液压钻车1 8 1 。 2 、爆破器材 我国矿用炸药、爆破雷管、发爆器在近年来都得到了相应的发展，朝爆破更经济更 合理的方向发展。我国的矿用炸药是以硝铵类为主体发展起来的。到1 9 5 4 年，由解放 初的3 个品种增至包括矿用型的8 个品种。7 0 年代以来，又相继研制了含水类炸药：浆 状炸药、水胶炸药、乳化炸药。爆破雷管有瞬发雷管、秒延期雷管和毫秒延期电雷管等。 7 0 年代末，非电爆管及其起爆系统问世后，我国研制了非电爆管和非电毫秒雷管，并在 工程爆破上得到应用。 3 、爆破技术 我国巷道钻眼爆破技术发展是迅速的。从浅眼爆破发展到中深眼爆破，从工作面多 次放炮到全断面一次爆破，到7 0 年代，毫秒爆破已得到普遍应用，大大提高了爆破效 率和质量。7 0 年代以后，光面爆破、预裂爆破得到了大面积推广应用，改变了普通的自 由式爆破，实现了控制爆破。特别是光面爆破与锚喷支护相结合，实现了巷道支护的改 革，在加快掘进速度、提高支护质量、降低成本等方面取得了显著的技术经济效果。 4 、装岩与运输 装载与运输是巷道掘进中劳动量大，占循环时间最长的工序。6 0 年代开始发展小型 蓄电池机车、钢丝绳牵引卡轨车和轻型刮板输送机，代替了人力推车。7 0 年代以来，先 后研制成功耙斗装岩机、侧卸式装岩机、蟹爪装岩机及立爪装岩机。配套的运载运输设 备也在不断改善，先后出现了q z p 一1 6 0 型桥式转载机、可伸缩胶带运输机等，以上各类 设备的发展标志着我国岩巷装载运输机械化已有了一定基础。 5 、钻爆法施工技术的优缺点 影响钻爆法施工的主要因素是：打眼数量、打眼质量、装药量及装药结构。 1 绪论 钻爆法施工的优点在于钻爆法旋工具有灵活、方便、成本低廉的特点，适应于各种 自然环境和地质结构，可掘任何形状、长短的巷道，适合我国国情一j 。炮掘的潜力非常 大，组织好炮掘巷道的快速施工，对于保持矿井正常的采掘关系，维持矿井的稳产、高 产具有重要意义。 钻煤法施工方法的缺点有( 1 ) 存在超挖，造成了预应力分布不均衡、出碴多、浪 费喷浆材料、延长了施工时间等方面的现象，最终影响了岩巷单进的提高。( 2 ) 对围岩 的破坏大，由于围岩岩性不均匀性，造成了对围岩不同程度的损伤，加大了支护难度， 提高了支护费用。( 3 ) 工作面工人工作环境差【1 0 】 1 l 】。 我国岩巷掘进施工的机械化水平、施工工艺、施工速度都还明显落后于发达国家， 仍是目前矿山建设的薄弱环节，施工速度较慢，全国平均月成巷只6 0 7 0 m 。发展钻爆 法掘巷，优化爆破工艺，实现岩巷的快速掘进，成为我国中小型煤矿岩巷掘进施工的重 点，通过近二十来的不断努力，采用钻爆法进行岩巷的掘进取得了成效。8 0 年代在对国 外技术研究的基础上，开始进行以侧卸式装岩机为主的机械化作业线的试验和推广工 作。煤岩科学研究总院北京建井研究所等单位，在新汶矿区协庄矿试验以多台气腿式凿 岩机、侧卸式装岩机为主的作业线，在掘进断面为1 5 7 4 m 2 的岩巷中，连续3 个月成巷 1 0 0 m 以上。1 9 8 6 年，我国在对国外技术研究的基础上实现了钻车国产化，以液压钻车、 侧卸式装岩机为主的机械化作业线开始在我国煤矿推广使用，开滦矿务局在断面约1 5 m 2 的巷道中分别创月进尺1 8 4 8 m 、2 1 0 m 、2 5 2 4 m 的全国纪录。 下面是近年来国内煤矿采用钻爆法施工快速掘进的一些实例： 大同煤矿集团公司第二工程处掘进十队1 0 3 0 北轨道大巷施工，通过采取改变永久 支护形式、中深孔爆破、多工序平行作业等措施，至1 9 9 6 年1 2 月，快速顺利地完成了 该巷道余下的2 3 8 8 6 m 的施工任务，平均月进尺1 1 3 8 m ，最高月进尺2 0 1 m 1 2 】。 西山煤矿采用了小循环快速掘进技术和中深孔断裂爆破技术，施工装备和施工方法 仍采用风钻打眼、耙斗机装岩、小矿车运输，在劳动组织上采用“四六”制作业，打眼时 采用多台风钻进行平行作业。月循环数7 5 个，月进尺能达到1 1 0 m 左右【1 3 1 。 新元矿采用侧卸式装载机、喷浆机、汽车、风钻和激光指向仪施工机械化配套，月 进尺1 3 0 m e l 4 1 。 1 2 2 岩巷综合机械化掘进 全断面掘进机是实现连续破岩、装岩、转载、临时支护、喷雾防尘等工序的一种联 合机组。岩石全断面掘进机机械化程度高，可连续作业，工序简单，施工速度快。1 9 8 5 年美国工程师c h a r l e sw i s l s o n 发明了隧道掘进机，通常这被第一台成功的在岩石中连续 掘进的机器。1 9 5 6 年，r o b b i n s 为加拿大基础公司制造了第一台取得成功的岩石隧道掘 进机，被用于多伦多市的h u m b e r 下水道工程，这是一台直径为3 2 8 m 的隧道掘进机， 西安科技大学硕士学位论文 掘进一条长约4 5 k m 、主要由砂岩、页岩、含石英的石灰岩组成的隧道，根据报告岩石 的抗压强度为5 1 8 6 m p a t ”1 。 自5 0 年代中期进行工业化生产以来，岩石隧道掘进机技术取得重大进展，掘进机 施工有着钻爆法施工不可比拟的优点，在世界科技飞速发展的今天，更使掘进机有了广 阔的使用条件，已广泛应用于各国的能源、交通、城建、国防等部门的地下工程建谢1 6 】。 现在全断面岩巷掘进机用于煤矿巷道掘进，平均掘进速度可达1 0 - 2 0 m h ，平均月 进一般为3 0 0 , - 4 0 0 m 。但是该类掘进机目前也存在一些问题，其中主要是掘进机庞大笨 重，拆装时问久，转移运输不便，辅助作业时间长，机器作业率低，动力消耗大，刀具 寿命短，其费用占总费用的8 5 ，掘进成本高。而且要求所掘进巷道的曲率半径大，不 适应我国的煤矿巷道要求。特别是岩性变化大，遇到涌水，断层破碎带等地质条件时适 应性差，掘进速度明显下降，甚至无法工作。因此岩巷全断面掘进机的发展受到限制1 7 】。 1 9 6 7 年，美国曾创造了月进2 0 8 8 9 m 的世界纪录。掘进机施工巷道质量高，支护简 单，工作安全，作业条件好，效率高。但该机构造复杂，成本高，对掘进巷道的岩石性 质和长度均有一定要求【1 8 1 。 全断面掘进机作业线在我国的研制是在7 0 年代后期开始的。1 9 8 6 年6 月，古交矿 区建井一处在东曲平硐开始试用直径5 m 全断面掘进机机械化作业线，累计进尺超过 3 6 0 0 m ，最高月进尺2 0 2 m 。1 9 8 8 年4 月1 9 8 9 年2 月，直径3 2 m 全断面掘进机在云南 羊场煤矿被使用，累计进尺1 0 1 4 m ，最高月进尺2 6 0 1 7 m ，平均月进1 5 6 1 3 m 。 11 3 煤巷和半煤岩巷掘进的发展现状 为改变煤巷掘进打眼放炮的落后面貌，实现机械破煤、装煤、运煤组成的综合掘进 机械化，原苏联于1 9 3 8 年试制成第一台煤巷掘进机。经过不断的改进，5 0 年代末已逐 渐成熟。由于煤巷掘进机具有工序少、速度快、效率高、质量好、施工安全和劳动强度 小等优点，受到世界各国的重视，发展迅速【1 9 1 。 1 3 1 综掘机掘进技术 我国已研制开发和引进使用了近2 0 种悬臂式掘进机，综合机械化掘进程度逐步提 高。 目前，我国煤巷、半煤岩巷道掘进分为两类：一类是采用国产的综掘设备组成的综 掘生产线；第二类是采用引进的连续式采煤机组成的采掘生产线。国产综掘设备的代表 机组有s 1 0 0 、a m 5 0 、e l m b 5 5 型等。第二类采掘生产线主要在神华东区的矿井达到了 良好的发挥【2 0 】 2 ”。 在第一类生产线中，配套的支护设备一般是单体锚杆钻机，锚杆安装采用人工进行， 典型的生产线配备3 台单体锚杆钻机，劳动效率较低。由于巷道支护作业是在空顶情况 1 绪论 下进行的，支护的安全性受着巷道顶板条件的制约。当巷道顶板条件较好时，可以获得 较大的空顶距，掘进与支护之间的影响相对较小，支护作业可以集中进行，以弥补单体 作业效率低的缺点；巷道顶板条件不好时，就必须通过缩短空顶距，缩小循环进尺的方 法来保证支护的安全作业，这样一来掘进速度就会下降，这也是总体综掘生产线掘进速 度不能令人满意的一个主要原因。 在第二类生产线中，配套的支护设备一般采用自带动力的锚杆钻车，用机械操作代 替人工作业，虽然连续式采煤机切割煤岩层的效率较高，掘进速度快，但该掘进生产线 一般需要同时掘进多条巷道和大量的横贯来满足配套设备的换位需要，因此掘进准备速 度就要大打折扣。为了发挥机械化设备的性能，需要有较好的巷道顶板条件等，以获得 较大的空顶距，一般空顶距达6 m 左右。从该类生产线的掘进工艺分析，在巷道顶板条 件较差时，设备的换位将占用大量时间，掘进进尺将大大降低 2 2 】【2 3 1 1 2 4 1 。 国产综掘设备的代表机组有s 1 0 0 、a m 5 0 、e l m b 5 5 型等，2 0 0 0 年我国创水平的 1 6 个综掘队均采用这三种型号机组，并创造了所平均进尺8 5 0 8 m ，最高达到1 5 3 4 2 m 的 好成绩。采用引进的连续式采煤机组主要在神府矿区的矿井达到了良好的发挥，9 个创 水平掘进队的平均进尺达到了1 3 7 9 9 m ，最高达到2 2 3 2 4 m 。 为了适应煤矿高产高效生产的需要，我国相继引进了国外的连续式采煤机，我国多 数煤矿是利用连续式采煤机掘进多条煤层巷道，布置长壁工作面进行回采。 8 0 年代中期开始，我国先后引进了4 0 余台连续式采煤机，其中6 台1 2 c m l l - 9 b 型连续式采煤机作为掘进使用，收到了良好的效果，创造了月进尺2 1 8 7 m 的当时全国记 录。9 0 年代引进了1 0 余台连续式采煤机，在神东、黄陵、兖州等矿区使用，其中美国 j o y 公司的1 2 c m 1 0 d 型连续式采煤机在神东大柳塔矿用于煤巷掘进，创造了月进尺 2 7 0 5 的世界记录【”1 1 2 。 下面是近年来国内一些煤巷快速掘进的实例： 大柳塔煤矿连采二队年掘进进尺达2 2 3 4 1 m ( 折合标准备断面进尺3 1 2 5 3 m ) ，掘进工 效达15 3 r n ( 工日) ，日最高进尺达1 4 5 3 m ，月最高进尺3 2 7 3 m ，被中国企业联合会列为 2 0 0 0 年全国掘进新纪录田】。 济三煤矿2 0 0 2 年创出了煤巷锚网支护单头月进9 6 7 m 、岩巷锚喷支护月进2 1 2 m 的 纪录，该矿综掘一区一个综掘头实现了年完成1 0 0 5 8 m 的掘进纪录【2 ”。 杜儿坪矿巷道r 进尺保证达到1 8 2 0 m ，月进尺保证达到5 5 0 m 以上 2 。 1 3 2 掘支一体化技术的发展 最早的采掘锚一体化设备是在第一台连续式采煤机面世后的七年，生产于美国，它 是在连续式采煤机上安装了一台锚杆机，只能打两个锚杆，在采煤机换位后，人工或独 立的锚杆机补打其余的锚杆。之后美国推出了1 4 c m l 01 5 b d 型卫星式连续采掘锚杆机， 西安科技大学硕士学位论文 并广泛用于西弗吉尼亚州和宾夕法尼亚州的长壁工作面掘进顺槽。之后美国又推出不同 机型的采掘锚一体化机组。 随着各国采煤技术和巷道锚杆支护技术的研究与发展，一些国家相继开发出本国机 型的采掘锚一体化快速掘进成巷设备。 我国目前还没有生产以及引进国外的采掘锚一体化快速掘进成巷设备，但引进国外 的连续式采煤机在一些煤矿获得了应用，并取得良好的效果。我国除少数煤矿f 如神华 上湾矿) 使用连续式采煤机专门用于采煤外，大多数矿井主要是用于掘进煤层巷道，其 主要配套设备有连续式采煤机、锚杆钻车、铲车、运煤车、破碎机、胶带输送机等设备。 虽然我国目前没有生产该类设备，但已经开始了这方面的研究与开发。煤科院南京 研究所与兖州鲍店煤矿共同研究开发了机载的锚杆钻机，并安装在m r h s 1 0 0 型掘进机 上，组成掘锚一体化掘进机组进行试验，试验期间的平均进尺为3 8 9 m 月，在煤层和顶 板的硬度合适时，月实际进度可达5 0 0 m 。随着研究的深入，可以预料国产的掘锚一体 化快速掘进成巷设备将在我国进入实际应用阶段。 尽管如此，我国煤矿煤巷、半煤巷综掘平均进度仍然不高，这固然与各煤矿的地质 条件不同，以及与各煤矿技术管理水平的差异有关，但掘进设备本身没有与现在的巷道 支护技术相适应，也是一个重要的原因。根据统计资料，巷道掘进作业中的支护时间要 占总作业时间的7 0 ，虽然在煤层及半煤岩巷道中采用了锚杆、锚喷和锚梁网等支护手 段，简化了巷道的支护作业，但掘进巷道作业中的掘进与支护的分离，是进一步提高掘 进巷道速度的最大障碍。 1 4 本论文主要的研究内容与方法 本文结合石嘴山二矿煤巷2 4 7 5 回顺和岩巷+ 6 0 0 南轨道巷的掘进工程，运用p d c a 全面质量管理方法分析煤、岩巷掘进过程中影响掘进工艺和掘进速度的内部因素和外部 因素，同时分析这些因素对掘进工艺和掘进速度的影响程度，为发展快速掘进技术提供 一定的参考。 本文研究的主要内容： ( 1 ) 分析一般煤、岩水平巷道单巷掘进情况下的掘进工艺， ( 2 ) 分析影响掘进施工的因素： ( 3 ) 分析p d c a 全面质量管理方法的基本步骤和特征； ( 4 ) 在巷道掘进过程中，运用p d c a 全面质量管理方法，按照搜集资料、进行实 验、分析问题、解决问题四个大的基本步骤研究煤、岩巷掘进工艺状况，找出影响采用 综掘法施工煤巷和采用钻爆法施工岩巷的掘进工艺和掘进速度的内部因素和外部因素， 并分析这些因素对掘进工艺和掘进速度的影响程度； 6 2 水平巷道的掘进技术 2 水平巷道的掘进技术 2 1 水平巷道施工的基本工艺过程 我国岩巷掘进，仍以钻爆法为主要手段。钻眼爆破是掘进作业的重要工序。随着生 产建设的发展，新型凿岩机具与爆破器材的不断涌现，爆破理论与破岩机理研究逐步深 入，从而使钻眼爆破技术得到迅速提高。自上世纪7 0 年代以来，我国巷道施工不论在 装备、工艺和技术，还是在理沦研究等方面均与国际水平处于同步发展的状况。 掘进工作中各工序是周而复始进行的，如交接班、钻眼、装药联线、放炮通风、装 运矸石、支护等，使工作面向前推进一段距离称为完成一个循环。这也是钻爆法施工水 平巷道的基本工艺过程o 0 【3 1 1 1 3 2 】【3 3 。 2 1 1 凿岩爆破 巷道掘进的钻眼爆破技术是以提高速度、效率、质量，降低成本和改善劳动条件为 主要目标，钻眼爆破技术是以新型钻眼机具、爆破器材的研制和应用互为条件，相辅相 成，互相推动发展的 3 4 】【3 5 1 1 3 6 。 1 、钻眼机具 岩巷掘进中大量应用的是气动凿岩机，液压凿岩机还处于逐步提高的阶段，而内燃 和电动凿岩机在煤矿中极少应用。煤巷掘进中主要应用手持式电钻。 与气动凿岩机相比，液压凿岩机的特点是：机械性能好，其冲击功、冲击频率和能 量传递效率等指标均大为提高，凿岩速度高出1 倍以上；可令岩层情况调整凿岩机性能 参数，可采用旋转或冲击旋转等不同方式，在最佳工况下凿岩，并获得较高的凿岩速度； 动力消耗少、能量利用率高，动力消耗仅为气动凿岩机的1 1 3 1 4 ；噪音低，污染小， 改善了工作条件。目前液压凿岩机定型产品的重量较大，需要与液压台车配套使用，投 资大，技术和维修要求高，尚未大量应用。但由于本身所具有的特点，是很有发展前途 的钻眼机械。 凿岩台车的应用，提高了掘进速度和效率，改善了劳动强度和条件，是巷道凿岩机 械化水平进一步发展的标志。 凿岩台车的基本结构是由推进器、支臂( 钻臂) 、车体、行走机构和供风、供水及 液压操纵系统等组成。按装设凿岩机台数( 支臂数) 分为单机、双机、三机和多机凿岩 台车。按行走机构分，有轨轮式、轮胎式和履带式。按行走机构的驱动方式分有电力直 接驱动、电力与液压驱动、风动和柴油驱动4 种，我国煤矿巷道掘进常采用电力驱动的 轨式和履带式两种。 西安科技大学硕士学位论文 2 、爆破技术 爆破的效果和质量直接影响着装岩、支护的效率和质量，影响着掘进速度。爆破效 果包括岩石破碎的块度、爆堆形状、巷道成形的规格、对围岩的损伤程度以及炮眼利用 率和炸药消耗量等指标，应根据不同的岩层条件和设计与施工要求，正确地选用爆破方 法，合理地确定爆破参数。 ( 1 ) 掏槽方法 掏槽方法和掏槽眼的布置形式多种多样，应根据岩层性质、断面大小和一次爆破的 进尺来选择。掏槽的形式可分为斜眼掏槽、直眼掏槽和混合掏槽三种。 斜眼掏槽 其特点是掏槽眼与工作面斜交，有单向掏槽、扇形掏槽、楔形掏槽和锥形掏槽等几 种形式。前两种方法适合于巷道断面较小、具有明显层理的松软岩层或有软弱夹层或半 煤岩巷的煤层上。应用最多的是楔形，它适合于各种岩层的浅眼爆破，根据巷道断面大 小和岩层的坚固性合理确定炮眼的角度和数目。 斜眼掏槽中各炮眼的装药集中于炮眼底部，以工作面为自由面，形成的槽腔呈楔形、 角锥形，优点是适用于各种岩层，掏槽效果较好，所需槽眼数目较少，槽腔体积大，缺 点是钻眼的方向和对称性要求较高，炮眼深度受巷道宽度限制，不利于多台凿岩机同时 作业。 直眼掏槽 其特点是掏槽眼垂直于工作面且相互平行，炮眼间距小，炮眼装药系数一般在o 7 0 8 。可归纳为裂隙掏槽、角柱状掏槽和螺旋掏槽三种类型。 直眼掏槽的原理不同于斜眼掏槽，它不是以工作面为自由面，而是以空眼作为自由 面和碎胀后的补偿空间。 直眼掏槽的优点是炮眼垂直于工作面，方式简单，可实现多台钻机同时作业和实现 机械化钻眼，炮眼深度不受巷道断面限制。 混合掏槽 它是直眼与斜眼相组合的掏槽方法，其中斜眼与工作面有7 5 0 8 5 。的交角，装药系 数为o 4 0 5 ，在直眼爆破后起爆，以发挥抛碴和扩槽作用。适用于中硬以上岩层的大、 中断面巷道。 ( 2 ) 爆破参数 爆破参数主要包括：炮眼的直径、深度、数目和单位炸药消耗量等。 炮眼直径 炮眼直径的大小对钻眼效率、全断面炮眼数目、炸药消耗量和爆破块度及岩壁平整 度等均有影响，应根据巷道断面大小、块度要求、炸药性能和凿岩机性能综合考虑，进 行选择。 8 2 水平巷道的掘进技术 炮眼深度 炮眼深度决定了每一掘进循环的钻眼和装岩工作量、循环进尺以及每班的循环次 数，须根据巷道掘进的作业方式、钻眼设备能力、岩层条件以及巷道断面尺寸等因素经 综合考虑而确定。炮眼深度大，单位进尺的辅助作业时间短，装岩机的工时利用率高， 但钻眼速度下降，或是爆破后围岩稳定性差，巷道难以维护。 炮眼数目 合理的炮眼数目应以保证爆破效果为原则。主要取决于岩石性质、巷道断面形状和 尺寸、炮眼直径和炸药性能等因素。一般是先以岩层性质和断面大小进行初步估算，然 后在断面图上做炮眼布置，得出炮眼数卧3 7 j 。 2 1 2 装岩与运输 装载与运输是巷道掘进中劳动量大，占循环时间最长的工序3 8 1 。 1 、装载 根据工作机构和结构的不同，装岩机大致可分为：铲斗式、耙斗式、蟹爪式、立爪 式和蟹立爪式等几类。最先推广使用的是铲斗式装岩机。近几年来，侧卸式装岩机在1 2 i n 2 以上的巷道掘进中已逐渐显示出它的明显优势。 ( 1 ) 铲斗式装岩机 铲斗式装岩机按动力分有电动、气动、以及柴油驱动3 种，行走机构是轨轮式的， 适用于有瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井中的水平巷道和倾角小于8 0 的倾斜巷道。同时要求 自轨面算起的巷道高度不应小于2 2 m ，巷道宽度以铺设单轨或双轨车道为限。 铲斗式装岩机具有使用灵活、行走方便的特点，其结构紧凑，工作可靠，体积小； 同时它装岩时，前方打眼工可站在岩堆上打眼，互相干扰小，易于实现凿岩与装岩平行 作业。 ( 2 ) 侧卸式装岩机 侧卸式装岩机的特点是铲斗正面铲取，侧转卸载。行走机构有履带式和轨轮式两种。 其特点是装岩效率高，但是由于装岩机在巷道中频繁行走，不仅将巷道底板碾碎，形成 大量淤泥给后续清理工作带来麻烦，也缩短履带行走部件的使用寿命。 ( 3 ) 耙斗式装岩机 耙斗式装岩机适用于净高大于2 m ，净断面5 m 2 以上的巷道。它不但可以用于平巷 装岩，而且还可以在3 0 。左右的斜井装岩。它的特点是生产率高，产生粉尘较少，而且 在装岩过程中不需铺轨，装岩时人工辅助工作量较少。 ( 4 ) 立爪式和蟹立爪式装岩机 立爪式装岩机的主要优点是装矸机构简单可靠，动作机动灵活，对巷道断面和岩石 块度适应性强，能挖水沟和清理底板，生产率高。但爪齿容易磨损，操作也较复杂。 西安科技大学硕士学位论文 蟹立爪式装岩机是吸取蟹爪式和立爪式装岩机的优点，采用蟹爪和立爪组合的耙装 机构，从而形成的新颖高效装岩机。 2 、运输 ( 1 ) 工作面调车与转载 装岩效率的提高，除了选用高效能装岩机和改善爆破效果以外，还应结合实际合理 选择工作面各种调车和转载设施，以减少装载间歇时间，提高实际装岩生产率。加强装 岩调车工作组织和运输工作，及时供应空车，运出重车。 采用不同调车与转载方式，装载机的工时利用率差别很大，据统计我国煤矿用固定 错车场时为2 0 3 0 、用浮放道岔时为3 0 4 0 、用长转载输送机时为6 0 7 0 、用梭 式矿车或仓式列车时为8 0 以上。 ( 2 ) 运输 巷道施工除了要求及时地将岩石送出外，还需要将大量支护等材料运往工作面。我 国煤矿巷道掘进运输多用电机车牵引矿车，将重车拉到井底车场，空车供应工作面。采 区煤巷的运输多用刮板输送机和可伸缩胶带输送机将煤运至采区煤仓。近几年又开发使 用了卡轨车和单轨吊等可往返的运输设备。 2 1 3 支护 1 、锚喷支护 ( 1 ) 锚杆支护 锚杆类型 最早使用的是楔缝式金属锚杆，7 0 年代很快就被倒楔式金属锚杆和水泥砂浆锚杆所 代替，到了8 0 年代又被快硬膨胀水泥卷、树脂锚杆以及管缝式锚杆所取代。由于快硬 膨胀水泥药卷造价低廉，制作安装简便，可以端头锚固，也可以全长锚固，杆体螺纹部 分经处理处，可以使锚杆各部分获得相等强度，因此，采用的较多。树脂锚杆技术性能 较好，但是造价较高。管缝式锚杆虽属全长锚固式，可靠性较高，但因造价高，多在软 巷道中采用3 9 】 4 0 】1 。 锚杆支护施工 目前，我国大多使用气腿式凿岩机钻锚杆眼，劳动强度大，效率低，特别是钻顶部 眼时，作业条件差，影响锚固质量 4 2 】。 ( 2 ) 喷砼技术 喷砼在我国煤矿中的应用已有3 0 多年的历史，喷砼强度等级多采用c 1 5 , - - c 2 0 ，为 了降低回弹和粉尘，正围绕喷砼的外加剂、改进喷砼机械设备及综合防尘等方面进行积 极地研究工作，并取得了一定的进展。 7 0 年代后广泛应用z h p 一2 型转盘式喷射机，可连续供料、连续喷射，工作稳定可 1 0 2 水平巷道的掘进技术 靠，操作方便，体积较小，适于较氏距离输送。但缺点是属于干式喷射机，粉尘大、回 弹率高。早期产品密封胶板极易磨损，搅拌、上料机械示能配套。针对上述缺点进行了 改进，8 0 年代后，广泛采用了h p c v 型潮式喷射机。 2 、u 型钢支架 u 型钢支架在国内已经有几十年的历史。近十几年由于综合机组采煤的发展和软岩 巷道支护的要求，u 型钢金属支架得到了较大的发展。我国使用的u 型钢已定型的有 1 8 9 、2 5 9 、2 9 9 和3 6 9 四种。 拱形u 型钢可缩金属支架，按节数多少分为3 节、4 节和5 节3 种，一般视巷道断 面的大小选用。u 型钢可缩支架应用在软岩或动压巷道中较为合理，但是，它的钢材消 耗量较大，成本较高。因此更适合于使用在服务年限不长，可多次复用的采准巷道中。 3 、砼大弧板支护 它是专为软岩设计的新型支护。这种支护的特点是采用了超高标号钢筋砼弧板。弧 板支护用h p 一1 型机械手架设。该机可在轨道上行走，最大起重能力_ 斜井平均每天提升量 4 0 8 3 3 t d ，主斜井一次提升4 个车皮，每日的出碴能力不能达到生产的需要。 按矿上九月份实际掘进进尺，九月份出碴量合计为： 三 s 。三。0 xj2 ( 6 4 “1 5 + 6 4 。6 5 + 7 6 8 4 + 6 7 x 5 6 + 1 8 7 x 3 + 11 4 x 2 2 + 1 5 8 x 5 2 + 1 2 1x 5 6 + 1 2 l 。6 4 ) 。2 4 。1 4 2 1 3 3 6 2 4 t ( 5 4 ) 平均每天出碴量为：1 3 3 6 2 4 3 0 = 4 4 5 4 t d 由此可以看出，九月份实际掘进平均每天出碴量4 4 5 4 t d 斜井平均每天提升量 4 0 8 3 3 t d ，主斜井每只的出碴能力不能达到生产的需要。 可以看出主斜井出碴能力不能满足井下掘进的实际出矸量，主斜井的提升将不能满 足矿井全天提升要求，造成井下重车集压和空车不能及时返回，从而严重的影响了正常 的出碴工序。 ( 2 ) 正常工作电机车数量 试验巷道+ 6 0 0 南轨道巷处于井下三水平，距提升暗斜井的运输距离l i = i 3 k m 。除 此之外，该水平还有k 2 班+ 6 0 0 运输大巷通路c b 段，s = 1 2 1 m 2 ，l 2 = 0 3 k i n ：k 3 班+ 6 0 0 运输大巷通路b 一主井，胆1 2 1 m 2 ，l 3 = o 6 k m ；k 4 班+ 6 0 0j b 轨道巷，s - - 1 0 6 m 2 ，l 4 = l k m 。 合计有四个掘进工作面。 三水平四个掘进工作面至提升暗斜井的加权平均运距为： 上= 1 l i + a 2 l 2 + a 3 l 3 + a 4 l 4 ) 似j 埘2 蜘3 卅印f 5 5 1 2 ( 1 5 8 “1 3 。2 4 x 1 3 0 0 +