岩巷快速掘进优化设计及应用.pdf

分类号 卫卫 工学硕士学位论文 密级 公开 单位代码 幽 岩巷快速掘进优化设计及应用 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 萝匹飞 蔡振禹教授 工学硕士 采矿工程 资源学院 河北工程大学 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e r o fe n g i n e e r i n g q u i c kr o c kd d v a g eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n d a p p l i c a t i o n c a n d i d a t e s u p e r v i s o r a c a d e m i c d e g r e ea p p l i e d f o r s p e c i a l t y c o l l e g e d e p a r t m e n t c a o f e i f e i p r o f c a i z h e n y u m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m i n i n ge n g i n e e r i n g c o l l e g eo f r e s o u r c e h e b e iu n i v e r s i t yo fe n g i n e e r i n g m a y 2 0 1 4 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得河北工程大堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担 日 学位论文作者签名 青 汐 签字日期 矽i 妒年s 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑些三堡盘堂有关保留 使用学位论文的规 定 特授权塑兰垦墨堡盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 嗜弘谚 签字日期 矽j 缈年岁月 玢日 导师签名 蘩橛焉 签字日期 wf 牛年 月垤日 摘要 摘要 随着我国的煤炭行业的发展 煤矿采煤技术和采煤方法得到不断更新 采煤 机械化水平也不断提高 而岩巷掘进速度却一直停留在较低的水平 使采掘接替 普遍紧张 本文以薛村矿南翼地区皮带运输巷为研究对象 运用数值计算 现场 试验与理论分析等方法研究并制定了岩石巷道快速掘进优化设计方案 通过工业 性实验验证了该方案的有效性及可行性 本文在总结分析前人研究成果的基础上 从施工工艺 掘进设备选择 地质 条件及施工组织管理等方面对岩巷快速施工进行了分析和总结 并在此基础上为 实现岩巷高速高效掘进施工提出了现实的技术措施 在具体实践应用中 进行了 具体技术研究 其中主要包括 岩巷快速掘进的设备选型 设备选型及配套设施 的选择是影响岩巷快速掘进的主要因素 文中将对不同配套设施进行优化分析 最后综合选型 设备选型后 对机械装备如何实现快速掘进进行深入分析 对层 位选择 支护优化 破岩最佳效能进行分析 巷道除尘 岩巷掘进时 产生大量 的岩石粉尘 严重影响巷道的快速掘进和工人的健康 本文对岩巷掘进除尘设备 设施进行改进 降低掘进产生的粉尘 进而提高岩巷掘进速度 作业方式优化 在岩巷掘进过程中 不同的作业方式对掘进速度有极大影响 寻找合适的作业方 式将会极大提高岩巷掘进速度 实现结果表明 岩巷掘进的设备选型及配套设施的选择 岩层层位的合理选 取 支护方式的优化设计 巷道有效除尘 作业方式优化 能够实现岩巷的高效 快速掘进 关键词 岩巷掘进 设备选型及配套 优化设计 除尘 作业方式 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y sc o a li n d u s t r y c o a lm i n i n gt e c h n o l o g ya n d m i n i n gm e t h o da r ec o n s t a n t l yu p d a t e d c o a lm i n i n gm e c h a n i z a t i o nl e v e la l s oc o n s t a n t l y i m p r o v e a n dt h es p e e do fr o c kd n v a g ei ss t i l ls t u c ki nt h el o w e rl e v e l s m a k et h e m i n i n gt or e p l a c ec o m m o nn e r v o u s m i n i n ga r e ai nt h es o u t hf l a n ko ft h eb e l tt r a n s p o r t l a n eb a s e do nx u ev i l l a g ea st h er e s e a r c ho b j e c t u s i n gt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n d f i e l dt e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o dt os t u d ya n df o r m u l a t et h eq u i c kr o c kr o a d w a y d r i v a g eo p t i m i z a t i o nd e s i g n t h r o u g ht h ei n d u s t r i a le x p e r i m e n ts h o w st h ev a l i d i t ya n d f e a s i b i l i t yo ft h es c h e m e i nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h e p r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s f r o m c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y t h e e q u i p m e n ts e l e c t i o n t h eg e o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n d c o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to fq u i c kr o c kc o n s t r u c t i o na r ea n a l y z e da n d s u m m a r i z e d a n do nt h i sb a s i st or e a l i z et h eh i g he f f i c i e n tr o c kd r i v a g ec o n s t r u c t i o n p r a c t i c a lt e c h n i c a lm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d i np r a c t i c ea p p l i c a t i o n c a r r i e do nt h e c o n c r e t et e c h n o l o g yr e s e a r c h m a i n l yi n c l u d i n g t h eq u i c kr o c kd r i v a g eo fe q u i p m e n t s e l e c t i o n e q u i p m e n ts e l e c t i o na n dt h ec h o i c eo fs u p p o r t i n gf a c i l i t i e sa r et h em a i n f a c t o r sa f f e c t i n gt h eq u i c kr o c kd r i v a g e i nt h i sp a p e r w ew i l lo p t i m i z et h ed i f f e r e n t f a c i l i t i e sa n a l y s i s f i n a l l yc o m p r e h e n s i v es e l e c t i o n a f t e rt h ee q u i p m e n tt y p es e l e c t i o n t h em a c h i n e r ya n de q u i p m e n t a n a l y z i n gh o wt or e a l i z et h er a p i da d v a n c eo fh o r i z o n s u p p o r t i n go p t i m i z a t i o n b r o k e nr o c kb e s te f f i c i e n c ya n a l y s i s r o a d w a yd u s tr e m o v a l r o c kd r i v a g e p r o d u c el a r g ea m o u n t so fr o c kd u s t s e r i o u s l ya f f e c t e dt h er a p i dm i n e r o a d w a ye x c a v a t i o na n dt h eh e a l t ho fw o r k e r s i nt h i sp a p e r t h er o c kd r i v a g ed e d u s t i n g e q u i p m e n tw a si m p r o v e d r e d u c i n gd r i v a g eo fd u s t t h u si m p r o v et h er o c kd r i v a g es p e e d o p t i m i z a t i o no fo p e r a t i o n i nt h ep r o c e s so fr o c kd r i v a g e d i f f e r e n tw a y so fo p e r a t i o n h a sag r e a te f f e c to nd r i v i n gs p e e d l o o k i n gf o r t h er i g h tp r a c t i c e sw i l lg r e a t l yi n c r e a s e t h es p e e do fr o c kd r i v a g e i m p l e m e n t a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h er o c kd r i v a g eo fe q u i p m e n tt y p es e l e c t i o na n d t h es e l e c t i o no f s u p p o r t i n gf a c i l i t i e s s t r a t a h o r i z o no fr a t i o n a ls e l e c t i o na n d o p t i m i z a t i o nd e s i g n t h er o a d w a ys u p p o r tm o d e e f f e c t i v e l yr e m o v ed u s t o p t i m i z a t i o n o fo p e r a t i o n c a nr e a l i z et h ee f f i c i e n tq u i c kr o c kd r i v a g e 1 1 a b s t r a c t k e yw o r d s r o c kd r i v a g e e q u i p m e n ts e l e c t i o na n dm a t c h i n g t h eo p t i m i z a t i o n d e s i g n d u s tr e m o v a l m o d eo fo p e r a t i o n 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i 第1 章绪论 1 1 1 问题的提出 1 1 2 研究的意义 2 1 3 国内外研究现状 2 1 3 1 国外研究现状 3 1 3 2 国内研究现状 3 1 4 主要研究内容 方法及技术路线 4 1 4 1 主要研究内容 5 1 4 2 研究方法 5 1 4 3 技术路线 6 第2 章工作面概况及地质条件 7 2 1 南翼地区及皮带输送机巷概况 7 2 1 1 煤层 7 2 1 2 其它开采条件 8 2 1 3 储量 8 2 1 4 南翼生产系统 一9 2 1 5 南翼皮带运输巷 9 2 2 地质条件 9 2 2 1 水文地质条件 1 0 2 2 2 地质构造 1 1 2 2 3 陷落柱 1 1 第3 章影响快速掘进因素分析 1 3 3 1 掘进装备的影响分析 1 3 3 2 巷道内粉尘影响分析 15 3 3 作业方式影响分析 1 6 3 4 人员综合素质影响 1 7 3 5 组织管理影响 1 9 目录 3 6 小结 2 0 第4 章岩巷快速掘进装备选型 2 1 4 1 综掘系统的优点及其各部分选型 2 l 4 1 1 综掘系统简述 2 l 4 1 2 综掘系统的优点 2 4 4 1 3 掘进机选型 2 4 4 1 4 皮带输送机选型 2 6 4 1 5 大巷矿车选型 2 9 4 2 掘进设备及其配套装备优化研究 2 9 4 2 1 方案1 掘进机 桥式胶带转载机 可伸缩胶带输送机作业线 2 9 4 2 2 方案2 掘进机 桥式胶带转载机 刮板输送机作业线 3 0 4 2 3 方案3 掘进机 梭车作业线 3 0 4 2 4 方案4 掘进机 吊挂式胶带机 矿车作业线 3 0 4 2 5 配套方案选取 3 0 4 3 小结 31 第5 章实现快速掘进途径分析 3 3 5 1 巷道层位合理选取 3 3 5 2 巷道支护方式优化 3 4 5 3 巷道成型控制分析 3 6 5 3 1 截割最优路径分析 3 6 5 3 2 断面极限形状分析 3 7 5 4 掘进机掘进轨迹分析 3 9 5 5 破岩最佳效能分析 4 1 5 5 1 刀盘推力 4 1 5 5 2 刀盘扭矩 4 l 5 5 3 刀盘转速 4 1 5 6 提高掘进机开机效率途径分析 4 2 5 6 1 开机率的定义 4 2 5 6 2 开几率的分类 4 2 5 6 3 开机率的计算 4 2 5 6 4 提高开机率的途径 4 2 5 7 小结 4 4 第6 章高效综合防尘技术 4 5 6 1 粉尘的危害 4 5 n 目录 6 2 截割产尘机理 4 6 6 2 1 截割工作面粉尘的构成 4 6 6 2 2 截割产尘机理分析 4 7 6 3 岩巷高效综合防尘技术 5 l 6 3 1 旋流式除尘风机除尘 5 2 6 3 2 压风管续接附壁风筒辅助除尘 5 2 6 3 3 喷雾设备降尘 5 2 6 3 4 净化防尘帘降尘 5 3 6 4 小结 5 4 第7 章作业方式优化 5 5 7 1 岩巷掘进常规作业方式分析 5 5 7 2 四六制与三八制对比分析 5 7 7 3 薛村矿快速掘进作业方式优化 5 7 7 4 小结 5 9 第8 章现场工业性试验 6 1 8 1 现场施工概况 6 1 8 1 1 优化巷道层位 支护设计 6 1 8 1 2 优化排矸运输系统 6 l 8 1 3 优化作业线 设备合理选型 6 3 8 1 4 采用除尘风机 附壁风筒 6 3 8 2 快速掘进组织与管理保障措施 6 3 8 2 1 优化劳动组织 6 3 8 2 2 制定合理的正规循环作业 6 4 8 2 3 加强综掘机司机技术培训 6 4 8 2 4 加大地质测量及地质预报 6 4 8 2 5 严格考核机制 严抓工程质量管理 6 5 8 3 整条巷道月进度 6 5 8 4 经济社会效益 6 5 8 4 1 经济效益 6 5 8 4 2 社会效益 6 6 8 5 小结 6 7 结论 6 9 致 i 尉 7 0 作者简介 7 3 目录 学习经历 7 3 攻读硕士学位期间发表的论文 7 3 研究生期间课程学习情况 7 3 第1 章绪论 1 1 问题的提出 第1 章绪论 薛村矿1 9 5 9 年投产 目前矿井生产能力1 4 0 万t a 主采煤层为5 5 m 厚的2 j j 煤层 大煤 配采煤层为1 3 m 厚的4 撑煤层 野青 全部为贫煤 生产地区主 要在 2 8 0 m 水平 煤层埋深5 0 0 m 左右 经过5 0 余年的开发 薛村矿煤炭资源日益匮乏 面临资源枯竭和采掘关系紧 张的难题 截止2 0 1 2 年底 主采煤层一一山西组2 群大煤 已无正规地区进行生产 为了延长矿井服务年限 最大限度的回收资源 减少资源浪费 薛村矿三水平南 翼地区确定为后续发展需要衔接的主要地区 该区为前些年开采结束盘区 大煤 和野青煤层大部分已开采完毕 但剩余呆滞煤柱资源及深部山青资源广阔 可采 储量共计4 3 0 万t 南翼地区各盘区前些年正式生产时均有完整的生产系统 但目前各生产系统 均有不同程度的变化和损坏 其中最为严重的是主要运输系统和通风系统 巷道 及硐室大都失修严重 整修难度和工程量十分巨大 在 薛村矿南翼地区生产系 统改造设计 中提出重掘皮带运输巷和专用回风巷方案和对原有系统恢复方案两 个方案 并最终确定重掘皮带运输巷 至矿井南翼地区中部 做为南翼地区的主 要运输系统 该运输巷道布置在山青层位 上下 附近6 m 范围较软岩层内 岩石 硬度在 户3 7 薛村矿目前正进行盘区接替 巷道开拓延伸岩巷工程量大 传统岩巷炮掘速 度慢 新区准备时间长 严重制约正常衔接 为扭转这一被动局面 将传统的岩 巷炮掘施工工艺改为岩巷综掘机掘进工艺施工 以加快掘进速度 缓解接替紧张 但面对全新的工艺和复杂的地质条件 掘进速度难以达到预期 有必要在已经取 得的一些成果的基础上 结合薛村矿的实际条件 研究以实现岩巷安全快速掘进 为目的的快速掘进应用技术 河北工程大学硕士学位论文 1 2 研究的意义 巷道掘进是煤矿生产的重要生产环节 采掘并重 掘进先行 巷道的快 速掘进是保证矿井高产稳产的关键技术措施 采掘技术及其装备水平直接关系到 煤矿生产的能力和安全 以掘进机为主体的高效机械化掘进与支护技术是保证矿 井实现高产高效的必要条件 也是巷道掘进技术的发展方向 随着综采技术的发 展 回采工作机械化水平日益提高 使年消耗回采巷道数量大幅度增加 从而使 巷道掘进成为了煤矿高效集约化生产的共性瓶颈问题及关键性技术 岩巷掘进一直是煤矿掘进施工的难题 长期以来 其掘进速度跟不上回采速 度成为制约盘区接替和煤炭生产的主要问题 研究与之相适应的掘 装 运 支 综合掘进技术 通过技术创新 设备配套 统筹管理 从而实现高产高效 是生 产 科研人员追求的重要目标 薛村矿可供布置正规完整采区或工作面的煤层块段已很少 煤炭资源日益枯 竭 南翼地区的早日接替是保证矿井的生产稳定的关键 皮带运输机巷是整个生 产系统的重要工程和咽喉工程 是早日形成完整生产系统实现南翼机械化生产和 集中运输的必要条件 岩巷掘进实现机械化快速掘进将有利于早日接替 尽快达 产 有利于提升煤炭生产集中度和产业水平 提高安全生产水平 岩巷使用掘进 机及配套设备进行施工在薛村矿尚属首次 对本矿岩巷快速机掘有重要理论 技 术指导意义 也为相似条件矿井提供了有力的参考意义 可见 基于薛村矿南翼皮带输送机巷的具体地质和开掘条件 结合采矿技术 发展的最新理论和采矿设备的进步 对掘进机及其配套设备选型 掘进机远程遥 控 粉尘防治 劳动组织等一系列难题予以研究 具有重大的理论和实践意义 1 3 国内外研究现状 随着煤炭工业的发展 岩巷掘进技术水平有了很大提高 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 岩巷的掘进施工方面 世界上主要有两种施工手段 一种是钻爆法施工 即传统的打眼 放炮 化整为零的掘进方法 另一种为采用 掘进机整体掘进 第1 章绪论 1 3 1 国外研究现状 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 l l l 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 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 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 己广泛应用于各国的能源 交通 城建 国防等部门 的地下工程建设 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 1 2 m d 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 拆装时间久 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 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 3 2 国内研究现状 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 6 8 年6 月 古交矿区建井一处在东曲平酮开始试用直径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 月一1 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 河北工程大学硕士学位论文 均月进巧6 1 3 m 我国煤巷高效掘进方式中最主要的方式是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套 作业线 也称为煤巷综合机械化掘进 在我国国有重点煤矿得到了广泛应用 主 要掘进机械为悬臂式掘进机 我国煤巷悬臂式掘进机的研制和应用始于2 0 世纪6 0 年代 以3 0 一5 0 k w 的 小功率掘进机为主 研究开发和生产使用都处于试验阶段 8 0 年代初期 我国淮 南煤机厂引进了奥地利奥钢联公司a m 5 0 型掘进机 佳木斯煤机厂引进了日本三 井三池制作所s 1 0 0 型掘进机 通过对国外先进技术的引进 消化 吸收 推动 了我国综掘机械化的发展 但当时引进的掘进机技术属于7 0 年代的水平 设备功 率小 机重轻 破岩能力低及可靠性差 仅适合在条件较好的煤巷中使用 加之 国产机制造缺陷 在使用中暴露了很多问题 国内进一步加强对引进机型的消化 吸收工作 积极研制开发了适合我国地质条件和生产工艺的综合机械化掘进装备 经过近3 0 年的消化吸收和自主研发 目前 我国己形成年产1 0 0 0 余台的掘进机 加工制造能力 研制生产了2 0 多种型号的掘进机 其截割功率从3 0 k w 到2 0 0 k w 初步形成系列化产品 尤其是近年来 我国相继开发了以e b j 1 2 0 t p 型掘进机为 代表的替代机型 在整体技术性能方面达到了国际先进水平 基本能够满足国内 半煤岩掘进机市场的需求 半煤岩掘进机以中型和重型机为主 能截割岩石硬度 为仁6 8 截割功率在1 2 0 k w 以上 机重在3 5 t 以上 煤矿现用主流半煤岩巷悬 臂式掘进机以煤科总院太原研究院生产的e b j 1 2 0 t p 型 e b z l 6 0 t y 型及佳木斯 煤机厂生产的s 1 5 0 j 型三种机型为主 占半煤岩掘进机使用量的8 0 以上 然而 国内目前岩巷施工仍以钻爆法为主 重型悬臂式掘进机用于大断面岩 巷的掘进在我国处于试验阶段 但国内煤炭生产逐步朝向高产 高效 安全方向 发展 煤矿技术设备正在向重型化 大型化 强力化 大功率和机电一体化发展 新汶矿业集团 淮南矿业集团及平项山煤业集团公司等企业先后引进了德国 w a v 3 0 0 奥地利a h m l 0 5 英国m k 3 型重型悬臂式掘进机 全岩巷重型掘进机 代表了岩巷掘进技术今后的发展方向 1 4 主要研究内容 方法及技术路线 4 第1 章绪论 1 4 1 主要研究内容 论文围绕影响岩巷快速掘进的几个主要因素进行分析 开展以下几个方面的 研究 1 岩巷快速掘进的设备选型 设备选型及配套设施的选择是影响岩巷快 速掘进的主要因素 文中将对不同配套设施进行优化分析 最后综合选型 2 设备选型后 对机械装备如何实现快速掘进进行深入分析 对层位选 择 支护优化 破岩最佳效能进行分析 3 巷道除尘 岩巷掘进时 产生大量的岩石粉尘 严重影响巷道的快速 掘进和工人的健康 本文对岩巷掘进除尘设备设施进行改进 降低掘进产生的粉 尘 进而提高岩巷掘进速度 4 作业方式优化 在岩巷掘进过程中 不同的作业方式对掘进速度有极 大影响 寻找合适的作业方式将会极大提高岩巷掘进速度 1 4 2 研究方法 本课题采用的研究方法主要有数值计算 现场试验与理论分析等 详细的研 究方法如下 1 实现快速掘进理论分析 在充分了解掘进的地质条件和巷道围岩性质后 分析了掘进设备 巷道内粉 尘 作业方式 人员综合素质 组织管理等对掘进速度的影响 为实现岩巷快速 掘进提供理论基础 2 数值计算 通过对锚索支护强度和巷道断面极限尺寸的计算 得出合理的优化支护方式 与巷道断面尺寸大小 3 现场试验 通过对三水平南翼山青地区进行现场试验 在该地区设计掘进一条皮带运输 巷至矿井南翼地区中部 观察岩巷的掘进速度 生产安全状况 除尘效果 组织 管理等 验证是否满足岩巷快速安全高效生产的要求 河北工程大学硕士学位论文 1 4 3 技术路线 采用现代采矿理论 巷道掘进与支护理论 项目管理以及安全工程的理论和 方法 分析影响岩巷快速掘进技术的因素 研究岩巷快速掘进技术 技术路线如 图1 1 所示 图1 1 技术路线图 f i gl 1t e c h n o l o g yr o a d 6 第2 章工作面概况及地质条件 第2 章工作面概况及地质条件 2 1 南翼地区及皮带输送机巷概况 南翼地区位于薛村矿井田南部 南至薛村矿与牛儿庄矿井田技术边界煤柱 西部及北部至老五盘区 9 6 5 0 3 9 6 5 0 4 工作面 采空区 东至三水平南正巷 南 付巷 走向长1 5 6 6 7 m 左右 倾向长约3 4 2 2 m 形状不规则 面积o 5 4 k m 2 2 1 1 煤层 大煤煤层 2 f i 属稳定煤层 结构复杂 钻探及采掘揭露煤层2 4 6 0 1 m 平均煤厚5 2 m 图2 1 煤层柱状图 地层厚度 标 煤系柱状 志 层鬟 分 层 岩性简 述 间 计层名 距 称 口li m f e 4 ai nhlt tshe h n e 自o i 0 5 l33 i o5 i p rtet e 十ta k2 镕 p b t 自p n i 日r s n f 1 5 i bg eh5 ai kntt自 e i h f g x 9 p g 色 r 自 i t k 唇 二母fr 6t t m t b t 自n b t tt j ttrn 呼 一4 n 1 q j e t l l p t e 自 t b t 自 5 it a t e t t x j t 自n l c e 目 i 4 le t r n r j eo t 十t女 e十q g 6 e t e itf p r 镕e b 口 a t t 自 j t n n 一 m 十 i 一 e e mn t 494 tk p e e 4 i i t 6 o 一 一 5 q 十 i l e 女 皂t g tat tt t e 5 自i 5q4 m 十h e 口 e 十 口p s t 3 hn 5 e h o i p8tat 自ue i自ij n me p a ar ogl tnif5 t 6 q n i r e 河北工程大学硕士学位论文 野青煤层 4 撑 为较稳定煤层 结构简单 在断裂带附近 煤层厚度变化 大 钻探揭露煤厚为o 1 5 5 m 平均煤厚1 3 m 实践证实煤层厚度变化在l 1 5 m 之间 野青煤层距大煤 层问距为2 5 3 8 m 一般为3 4 m 左右 山青煤层 6 j f j 6 煤层稳定 结构简单 煤层中含有黄铁矿结核 地质勘探 及掘进揭露煤层厚度为0 6 1 6 5 m 平均煤厚1 4 m 受构造的影响局部不可采 山 青煤距野青煤 层间距为2 8 3 5 m 一般为3 2 m 左右 山青煤距小青煤 层间距为 1 8 3 2 m 一般为2 5 m 左右 下三层 煤因受奥灰水的威胁暂不能开采列 2 1 2 其它开采条件 薛村矿为煤与瓦斯突出矿井 大煤为煤与瓦斯突出煤层 瓦斯绝对涌出量 6 2 5 7 0 m 3 m i n 瓦斯相对涌出量2 5 6 1 l m 3 t 大煤煤层为i i i 不易自燃煤层 本区大 煤 野青煤层己基本采完 上部山青煤层己回采 根据上部 9 6 5 0 3 9 6 5 0 4 工作 面 采掘情况 预计本盘区山青掘进中瓦斯绝对涌出量1 o m 3 m i n i 5 m 3 m i n 根 据 2 0 0 5 年 薛村矿突出危险性鉴定情况 山青煤无煤与瓦斯突出危险性 本区 山青煤层的煤尘爆炸指数及煤层自燃发火倾向无资料 见煤后取样化验 山青煤层 2 3 0 m 水平以上已经论证为可采 该水平以下山青煤层必须经论证 认为可采后 方可在该煤层中进行采掘活动 2 1 3 储量 南翼地区剩余储量包括八九盘区野青煤柱 南大巷野青煤柱4 8 7 万t 七盘区 野青煤柱5 6 万t 大煤大巷煤柱香山村煤柱1 0 3 万t 南部深部山青2 2 0 万吨 其 中一2 3 0 m 水平以上的储量为4 5 7 万t 该区储量分布见表2 1 表2 1 南翼地区储量表单位 万t 1 h l e2 11 a h l ea r e ai nt h es o u t hf l a n ko fr e s e r v e s 7 9 7 k 鸲 撇 7 4 6 o 7 o 2 5 l 0 2 埔 5 5 0 7 8 8 7 4 3 7 o 4 卜 3 1 0 5 加 姒 纸 撇 煤青青计大野山合 第2 章工作面概况及地质条件 因此 该地区可采储量为2 0 3 万t 设计生产能力1 5 万t a 服务年限为9 年 2 1 4 南翼生产系统 南翼地区改造设计中 结合矿井目前的实际情况 对两个方案进行比较 分 析认为 原有生产系统巷道失修相当严重 整修费用要远远大于新掘巷道的费用 三水平三吨底卸式矿车卸载坑己改造成翻罐笼系统 三吨底卸式矿车已不能再应 用 系统恢复十分困难 采用电机车牵引三吨底卸式矿车出煤系统 生产效率低 安全隐患多 出煤量大时难以保证生产需要 通过以上对比 本设计选用重掘皮 带运输巷和专用回风巷方案 改造后主要运输系统路线为 回采工作面一运输巷一运输石门一皮带运输巷 新掘 一一三水平千米皮带一主井煤仓一主井一地面 2 1 5 南翼皮带运输巷 皮带运输巷从千米皮带巷2 3 号点以上3 0 m 处开口 以1 7 8 的方位角掘进 开口后先掘平巷 见山青煤后沿其顶板掘进 直至南翼地区山青回采工作面 担 负该地区的主要运输任务和进风任务 改造后系统简单 生产能力大 受原来生 产系统影响小 巷道整修工程量小 从该区大煤 野青采掘的情况分析 该区岩层稳定 地质条件简单 无大断 层 有一陷落柱 原巷道掘进已经揭露 无导水发生 该地区设计掘一条皮带 运输巷至矿井南翼地区中部 做为南翼地区的主要运输系统 该运输巷道布置在 山青层位 上下 附近6 m 范围较软岩层内 岩石硬度在 1 3 7 薛村矿南翼地区主要开拓巷道为半圆拱形和矩形 其中皮带运输巷沿山青煤 掘进段和专用回风巷沿野青煤掘进段采用矩形断面 支护方式采用锚网喷加w 钢 带 其它巷道采用半圆拱形 支护以锚网喷为主 个别压力大或过断层围岩破碎 地段采用锚网喷加u 钢支护 2 2 地质条件 掘进的地质条件主要是指岩巷工作面围岩硬度 层理发育情况 项底板的稳 定情况 水文地质条件和地质构造等 优质的地质条件为煤矿巷道掘进提供了良 河北工程大学硕士学位论文 好的基础 因而必然提升掘进速度 反之复杂的地质条件成为影响实现快速掘进 的一个咽喉 例如围岩硬度较高 地质条件构成的稳定项板会令支护条件变好 在实施掘进之前我们只要开展临时性支护 完成掘进后再实施永久支护即可 基 于支护与掘进作业的并行开展特征 必然会令掘进机工作效率显著提升 而岩层 具有的褶曲断层节理则可令其煤层厚度产生变化 在发生变化位置则较易形成冒 顶 塌落或偏冒现象 顶板条件不好 控顶距小 掘进机掘进一段距离 只能退 出来进行支护 掘进机的开机率低 工人劳动强度大 对掘进施工安全性与进度 造成严重影响 2 2 1 水文地质条件 薛村井田处于鼓山东麓奥灰强径流带东缘 奥灰水通过井田边界导水断层f 4 补给井田内煤系地层薄层灰岩含水层 使井田水文地质条件复杂化 三水平南翼 位于井田的东部水文地质条件简单分区的南部 根据井田南翼大煤 野青 山青采掘水文地质情况和南大巷揭露伏青灰岩水 文地质情况分析 南翼地区大煤顶板砂岩含水层 野青灰岩含水层 伏青灰岩含 水层均与奥灰含水层无水力联系 大煤煤层开采时以老顶砂岩含水层涌水为主 大煤工作面回采时大煤老顶砂岩含水层涌水量一般为0 2 0 5 m 3 m i n 仅在香山盆 地底部局部涌水量较大 9 2 7 1 0 工作面回采时大煤老项砂岩水涌水量最大1 0 m 3 m i n 几天内水量衰减到0 4m 3 m i n 左右 野青煤层掘进时遇断裂及裂隙时顶 板野青灰岩含水层局部出现淋水 野青灰岩涌水量o 1 o 2 m 3 m i n 随着疏放逐渐 会减少到无水 野青煤层工作面回采期间野青灰岩含水层一般无水 南大巷主要 布置在伏青层位 南大巷掘进过程中局部伏青灰岩有淋水 正常涌水量o 1 m 3 m i n 最大涌水量0 3 m 3 m i n 通过长期疏放 现伏青灰岩含水层己无水 根据南大巷大 巷标高说明伏青灰岩含水层己疏干到标高 2 7 0 m 左右 五盘区 东二盘区山青煤回 采期间不受伏青灰岩水影响 为保证东二盘区 五盘区山青煤安全开采 曾施工过五个大青水文观测孔 观6 观7 布置在东二盘区轨道上山下部 为两个相邻孔 观6 孔水位 6 1 m 水 量1 0 m 3 m i n 观7 孔水位 2 6 m 水量1 2 m 3 m i n 两孔水位差3 5 m 观1 4 观1 5 布置在南大巷里段 为两个相邻孔 观1 4 孔水位 3 7 8 m 水量0 1 m 3 l m i n 观1 5 孔水位 3 2 2 m 水量o 1 m 3 m i n 两孔水位差7 0 m 观1 7 布置在新五盘区轨道下山 下部 水位一3 6 m 水量1 9 8 m 3 f m i n 根据五个水文观测孔资料分析 南翼大青灰 岩含水层富水性分布极不均匀 且相互间水力联系较弱 奥陶系灰岩为矿井主要危害含水层 根据南翼地质勘探钻孔牛2 牛2 1 补 第2 章工作面概况及地质条件 2 0 9 0 4 1 资料 山青煤底板距奥灰顶面实际隔水层厚度分别为7 9 8 6 m 7 7 8 7 m 9 7 9 5 m 8 8 8 5 m 取最小隔水层7 7 8 7 m 计算山青煤开采下限标高 奥灰取最高水 位 1 2 5 m 回采工作面c 取0 6 按照 峰峰集团有限公司防治水管理规定 第八 十二条经验公式计算 回采标高下限 2 6 4 3 5 m 井田南翼现主要涌水为小煤窑偷采下组煤诱发大青 奥灰含水层突水 其中 八盘区涌水量0 4 m 3 m i n 南大巷新五盘区涌出量4 5 m 3 m i n 2 2 2 地质构造 该区西部以单斜构造为主 岩层走向n e 倾向n w 倾角9 1 4 里段八九 盘区及七盘区发育有褶曲构造 煤 岩 层产状变化较小 该区东部地区受f 3 断 层影响 倾角较大 岩层走向n e 转n w 倾向s e 转n e 倾角1 1 3 0 断裂构造 根据本区大煤 野青及上部山青开采的情况 本区有大型断裂构 造三条 f 3 号断层位于本区南部为矿井边界断层 走向n e 倾向n w 倾角6 0 6 5 落差h 2 0 m 断层在本区内向东部延展走向转为n n e 向 断层落差变大 为薛村 矿与小屯矿的边界断层 f 7 0 f 7 1 断层位于本区东部 延展至f 3 断层 走向n e 倾向n w 倾角7 0 7 5 落差h 1 0 1 5 m 该断层从f 3 断层向西南延伸2 7 5 m 分叉 延伸1 8 0 m 至f 3 断层防水煤柱尖灭 中型断裂构造有2 8 条 落差h i 0 1 0 m 其中对生产有影响9 条 f 1 1 f 1 2 f 1 3 f 1 4 断层位于本区南部 4 条断层组合成阶梯型构造 f 1 7 位于本区中部 对生产影响较大 f 1 8 f 1 9 f 2 2 f 2 3 位于本区东部 标高位于 2 9 0 以下 对生 产有一定影响 小断裂构造 从该区大煤 野青采掘的情况看 南部较发育 北部相对发育 较少 断裂方向为n e 及n w 向 其中以n e 向正断层断裂为主 n w 向断裂次之 2 2 3 陷落柱 那一皮带运输巷大约有5 2 4 m 长穿过x 4 陷落柱 x 4 陷落柱长轴长约1 0 5 m 短轴长约5 2 m 对巷道掘进影响较大 实践证明采掘工程接近强含水岩溶陷落柱 如果不能有效地控制沟通强含水岩溶陷落柱的涌水钻孔 或者人为反复地钻探破 坏了强含水岩溶陷落柱的围岩区 在水流冲刷和其它因素的综合作用下 陷落柱 围岩应力场发生变化 应力骤降带范围扩大 围岩导水性增强 阻止和限制地下 水流动能力减弱 从而形成突水通道引发突水 同时陷落柱内围岩比较松软巷道 登嚣2 容嚣箩片帮 冒顶等事古女 会大大降低掘进溉x 4 陷落柱分布见图 2 2 图 3 所示 一一 冶个土刀 1 p 见图 了 十 f i u jl 冬 卜 i 卜 名 考 文肾 f k s i 色 塑蓬茎釜浚 旦塑运建 耸 一 飞孓一心芒二 之 l i l i 曩 m 二 r 3 j0 1 n i 飞l 胃 挲 攀 一蕊j 图2 2 巷道穿过x 4 陷落柱平面图 f i g 2 2r o a d w a y f l rp l a nt h r u g ht h ex 4 c 1 1 a p s ec 1 1 l m n 图2 3 巷道穿过x 4 陷落柱剖面图 f i g 2 3 n r o u 曲n l ex 4 c l l a p s ec u 啪s e c t i n f r o a d w a y 1 2 第3 章影响快速掘进因素分析 第3 章影响快速掘进因素分析 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 无论是引进国外设备 还是使用国产设备 一旦进入 掘进循环系统 均难达到快速掘进的要求 这除了由于地质条件 掘进装备 巷 道粉尘 作业方式 人员素质和组织管理制约掘进速度 其各影响因素相互之间 也有联系 他们的关系图如3 1 所示 设备问题工艺问题 管理问题自然条件 图3 1 快速掘进影响因素示意图 f i g 3 1q u i c kt u n n e l i n gi n f l u e n c ed i a g r a m 3 1 掘进装备的影响分析 随着煤炭技术的发展 掘进新设备新技术的不断出现 掘进速度己经上了一 个台阶 但是就全国总体水平来看 掘进装备虽然齐全 但是性能较差 自动化 水平不高 国产掘进机性能差 质量不高 刀具消耗量大 掘进机的维修周期短 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 岩巷掘进机掘进过程中 凿岩台车还没有得到普遍应用 一般情况下配 备风机 钻机效率不高 特别是在掘进工作面风压不够的情况下 钻眼速度慢尤 其严重 积极研究先进施工设备对实现快速掘进有不可忽视的促进作用 锚杆钻 机的发展也进入了一个崭新的阶段 近十多年来 凿岩设备的研究工作集中在新 型的液压凿岩机及与其配套的液压钻车 一般认为当前风动凿岩设备的发展水平 河北工程大学硕士学位论文 已达到上限效率 并且噪音和污染是难以克服的 液压凿岩机具有功率大 效率 高 钻眼速度快 噪音小 空气污染小等优点 因此获得了很快发展 在发展施工设备的同时 因地制宜的选择掘进设备也是非常重要的 掘进设 备的结构 外形和重量应适应掘进工作面的地质条件 比如说掘进机的切割头的 功率应根据煤岩硬度 煤岩的构成 粘结性 耐磨性 节理和层理的发育状况来 决定 当煤岩硬度大 巷道断面大时 应先用大功率的重型掘进机反之 应选择 较小的轻型掘进机 才能获得最佳的掘进效果 我国岩巷机械化作业线主要分为两方面 一方面是高档机械化作业线 即打 眼 装岩 转载 运输等主要环节实现机械化配套 用凿岩台车或钻装锚机组配 大功率高效导轨式凿岩机打眼