多转折煤巷掘进机械化技术研究与应用.doc

多转折煤巷掘进机械化技术研究与应用(课题研究报告)兖州煤业股份有限公司中国矿业大学2006.12目 录1 绪论11.1 研究现状及意义11.2 掘进工作面地质条件21.3 项目主要研究内容61.4 项目研究采用的方法和技术路线72 边角煤开采机械化掘进的巷道布置方式82.1 边角煤开采原则82.2 试验巷道的布置82.3 煤层变化勘探103 边角煤探煤巷道设计与围岩控制133.1 巷道断面133.2 巷道支护设计与围岩控制134 多转折巷道机械化掘进设备配套技术224.1 掘运设备组成224.2 掘进机、皮带输送机与转弯装置的配套技术265多转折巷道掘进工艺系统275.1 施工工艺275.2 劳动组织296 沿边角煤边界掘进的探煤巷道矿压规律316.1 观测内容316.2 观测仪器316.3 观测方法326.4 观测结果分析347 主要结论4011 绪论1.1 研究现状及意义随着矿井煤炭开采强度的不断加大，矿井资源逐步枯竭，进一步提高煤炭资源的回收率已成为矿井高产稳产和可持续生产的重要问题。其中，边角煤的开采回收是煤炭资源回收中的重要内容。由于煤层赋存条件的变化，使得正规开采、切块布置方式之后遗留下的大量边角煤开采及资源回收问题已成为亟待解决的紧要问题。据2000年末统计，兖州矿区仅3#厚煤层边角煤地质总储量为9509.41万t。兴隆庄煤矿共有边角煤块段39个，可采储量达1274万t；而南屯煤矿边角煤储量也达到千万吨以上。由于煤层露头处煤岩风化，使岩体强度低，破碎程度增加，加之边角煤柱应力集中，因而作业环境较差、巷道维护困难。煤矿的开采实践说明，在同一层位表现为普通坚硬的岩石，在煤柱及露头风化带边缘，往往表现出“大变形、易破碎、难支护”等软岩的特征。边角煤的赋存条件复杂，其主要特征表现为：（1）块段形状的不规则性，有三角形、梯形、弦弧形、树叶形等；（2）二是煤厚变化的不稳定性，即受断层、冲刷带等地质因素的影响，煤厚变化大；（3）开采条件的复杂性，即周边受采空区或断层构造带等因素影响，开采压力大、顶板破碎、水、火、瓦斯等自然灾害威胁。边角煤的上述赋存特征决定了边角煤的开采难以用现有的大型综采设备和现有的工艺装备，并增大了技术管理的难度。同时，边角煤的赋存特征也为巷道的机械化掘进带来了难度，尤其在煤层露头线、风化带和煤层厚度变化不稳定的区域。巷道掘进时往往使巷道出现多转折情况，较难实现综掘机械化技术。近年来，我国煤巷的综合机械化掘进技术取得了飞速发展，兖州矿区在这方面居于全国领先水平。综掘技术大大提高了成巷速度和巷道规格质量，缓解了采掘接续紧张的状况，有利于工作面块段的快速形成和生产。但是，使用综掘技术一般要求巷道为直线布置，而边角煤的形状不规则，有时煤层厚度不稳定，巷道布置若按开采技术的要求会出现多转折情况，采用目前的综掘配套技术和工艺难以实现。南屯煤矿七采区7320工作面上部为一弦弧形边角煤，其上部边界为煤层风化带。靠边界处煤层厚度不确定，巷道布置较困难，使巷道掘进难免出现多转折情况。因此，研究该条件下多转折巷道的机械化掘进问题，包括掘进工艺和支护技术、后配套设备的合理配置及运输系统的研究，从而实现不规则边角煤多转折巷道的机械化快速掘进，为边角煤的高效开采创造条件，并填补复杂困难条件下机械化掘进技术的空白，因而具有重大的现实意义。1.2 掘进工作面地质条件1.2.1地面相对位置及邻近采区开采情况掘进巷道为南屯煤矿七采区7320工作面上顺槽，开采水平为-350m，地面标高为+41.32 +41.96/41.74m，地面相对位置位于韩村东约170米处，白马河从工作面中部南北穿过；西部有多处塑料大棚，东部有几栋建筑物。工作面中部罗泗高压线从工作面上部南北穿过。工作面井下标高为-320-240/-280m，井下位置位于七采区西部，其北部为73下22工作面采空区，西部及南部为3下煤风氧化露头，南部为73下15下煤集，东部为七采区西部轨道。工作面中西部在白马河保护煤柱下，西部为韩村保护煤柱。工作面邻近采区开采的具体情况：北部为7322工作面采空区，西部及南部为3下煤风氧化露头，南部为7315下煤集，东部为七采区西部轨道。工作面地面相对位置及邻近采区开采情况见表1-1。表1-1 地面相对位置及邻近采区开采情况表 水平名称-350水 平采 区 名 称七采 区地面标高（m）+41.32 +41.96/41.74井下标高（m）-320-240/-280地面相对位置及建筑物工作面地面相对位置，位于韩村东约170m处，白马河从工作面中部南北向穿过；西部有多处塑料大棚，东部有几栋建筑物。工作面中部罗泗高压线从工作面上部南北向穿过。井下位置及掘进对地面设施的影响工作面位于七采区西部，其北部为73下22工作面采空区，西部及南部为3下煤风氧化露头，南部为73下15下煤集，东部为七采区西部轨道。工作面中西部在白马河保护煤柱下，西部为韩村保护煤柱。邻近采区开采情况其北部为7322工作面采空区，西部及南部为3下煤风氧化露头，南部为7315下煤集，东部为七采区西部轨道。1.2.2煤（岩）层赋存特征掘进工作面在3下煤煤层中，煤层赋存稳定，结构复杂，煤层为黑色半亮型，弱玻璃光泽，以暗煤为主，煤层内裂隙发育，含片状黄铁矿；工作面西部及南部受风氧化影响煤层厚度变薄；中西部煤层下部发育一层厚约0.451.3m的劣质煤，该劣质煤灰分高、硬度大、煤质差。矿井为低瓦斯矿井，瓦斯涌出量为0.220m3/min。工作面地温为26，煤尘爆炸指数为45%，煤层自然发火期为35天。 掘进工作面老顶为灰色细砂岩，厚度为5.326.46m，平均厚度5.89m，成分以石英、长石为主，裂隙层面有黄铁矿薄膜和结核发育；直接顶为黑灰色粉砂岩，泥质胶结，结构致密，局部水平层理发育，厚度3.724.17m，平均厚度为3.95m；直接底为灰黑色粘土质细粒石英砂岩，含炭质，分选中等，波状层理发育，厚度1.571.58m，平均厚度为1.58m；老底为深灰色粉砂岩与细砂岩互层，粉砂岩为主，含片状黄铁矿，植物化石残体，厚度1.583.53m，平均厚度为2.56m。煤层顶、底板岩性见表1-2。表1-2 顶、底 板 岩 性 特 征 表 顶底板名 称岩 石名 称厚 度（m）岩 性 特 征老 顶细砂岩5.326.46 5.89灰色细砂岩，成分以石英、长石为主，裂隙层面有黄铁矿薄膜和结核发育。直接顶粉砂岩3.724.17 3.95黑灰色粉砂岩，泥质胶结，结构致密，局部水平层理发育。直接底细砂岩1.571.58 1.58灰黑色粘土质细粒石英砂岩，含炭质，分选中等，波状层理发育。老 底粉细砂互层1.583.53 2.56深灰色粉砂岩与细砂岩互层，粉砂岩为主，含片状黄铁矿，植物化石残体。1.2.3地质构造掘进工作面总体为一单斜构造，西高东低，由西南-东北倾伏。在工作面西部发育一小向斜构造，轴向东南-西北。预计工作面内地质构造较简单，但可能有隐性小断层出现，特别是上顺槽靠近风氧化带掘进，煤层顶板较软，且小构造较发育。本工作面下顺槽掘进过程中，预计将揭露3F282、3F285、3F283三条断层，断层落差小，但不会对工作面掘进造成大的影响。影响工作面掘进的断层产状参数见表1-3。表1-3 断 层 产 状 参 数 表构造名称走向（）倾向（）倾角（）性质落差（m）对掘进的影响程度3F2823012075逆断层0.7小3F2831510565正断层0.5小3F28519228270正断层1.0小1.2.4水文地质（1）水文情况：掘进工作面巷道沿3下煤层底板掘进，主要充水水源为3下煤顶板砂岩含水层。3下煤顶至红层底砂岩为厚12.923.3m，平均18.2m，西薄东厚，岩性以灰白色细砂岩、泥岩为主，本层细砂岩含水。由于厚度较小，其赋水性较差。据钻孔漏水资料，本层钻孔漏失量在0.010.4m3/h，证明富水性较弱。根据本面相邻73下22面掘进及回采期间实际涌水资料，其富水部位易出现顶板淋水现象，但淋水量较小，其最大涌水量不超过9m3/h，且易于疏干。证明其充水性较弱，补给条件较差，以静储量为主。本巷在掘至构造裂隙发育部位时，巷内预计会有淋水现象，但对安全掘进不致构成威胁。预计掘进期间最大涌水量12m3/h，正常涌水量为6m3/h。（2）防排水措施由于受构造影响，预计巷内局部会出现低洼平缓段，掘进时易产生积水。为此巷内需配备实际排水能力不小于30m3/h的排水设备，设备必须配套完好，确保能及时启动排水。1.2.5工作面在掘进过程中存在的问题及建议工作面在掘进过程中存在的主要问题及建议如下：（1）工作面位于3下煤层风氧化带露头附近，受风氧化影响煤层厚度变化较大，控制程度较低，建议上顺槽兼作探巷使用。（2）工作面位于3下煤层风氧化带露头附近，预计小构造较发育，断层附近煤层及其顶板较破碎、易冒落，掘进时应加强管理确保安全生产。（3）工作面的采掘将会引起白马河局部及地表高压线的下沉，提前做好准备工作，确保安全生产。1.3 项目主要研究内容本项目的主要研究内容包括以下几方面：1）边角煤开采机械化掘进的巷道布置方式研究包括研究在煤层可采厚度范围内，探煤巷道的布置方式，依据综掘机允许的转弯半径和后配套设备的转弯要求，研究在掘进过程中根据揭露煤层厚度的变化情况调整巷道掘进方向时的转弯方式，以尽可能多地圈定可回采区域。2）边角煤探煤巷道设计与围岩控制研究进一步优化研究以锚网索支护为主的支护参数和施工工艺。在施工过程中，根据煤层露头暴露情况和顶板的稳定性状况，调整巷道的布置方式和支护参数；在巷道转弯顶板暴露面积大的区域，根据巷道转角和空顶范围等实际情况设计特殊支护方式。3）多转折巷道机械化掘进设备配套技术研究研究包括掘进机的选型、不同转弯角度转折皮带装置的选型以及掘进机与转折皮带的配套技术。4）多转折巷道机械化掘进工艺系统研究研究多转折巷道机械化掘进工艺系统，包括掘进的后配套系统、掘进循环工艺、掘进煤的运输方式和劳动组织等。5）胶带输送机转弯装置的应用及工艺系统研究结合现场实际研究与之相适应的皮带转弯装置，实现皮带多转折高效运输。6）沿边角煤边界掘进的探煤巷道矿压研究。1.4 项目研究采用的方法和技术路线1.4.1 研究方法本课题将采用现场调研、理论分析、现场实测和现场试验应用的方法进行综合研究。以现场试验应用和现场实测为主，以现场调研和理论分析等为基础。1.4.2技术路线本次研究的技术路线可归结为：（1）现场调研分析我国边角煤开采掘进巷道的类型、巷道施工方法、机械化水平、工艺方式和相关经验，掌握边角煤开采巷道掘进的现状和技术水平以及存在问题，为课题的进一步研究奠定基础。（2）结合南屯煤矿三采区边角煤的赋存条件，通过理论分析和模拟研究，确定边界区巷道的布置方式、巷道掘进施工工艺、巷道围岩稳定性监测方法、煤厚确定方法和巷道转弯相关参数和工艺。（3）通过理论分析，确定多转折巷道合理的施工工序以及各工序的时空配合关系。（4）确定多转折巷道掘进施工条件下，机械化掘进的后配套方式，主要包括转弯条件下的掘进煤运输转载方式和相关工艺。（5）现场应用施工，以及各工序和工艺过程的现场观测分析。（6）总结分析，形成相关研究成果，项目验收。2 边角煤开采机械化掘进的巷道布置方式2.1 边角煤开采原则根据边角煤的赋存特点，其开采应遵循以下原则：（1）尽可能利用现有生产系统,做到投入少，经济合理，安全有保障，便于集中生产和管理;（2）新工作面开切眼附近有可能造成以后不能开采的块段，要保证首先开采边角煤后再对正规工作面进行回采;（3）针对各个边角煤块段的赋存状况及特点，开采前应做好充分的调研论证工作，选择合适的开采技术方案;（4）工作面布置因具体情况而异，要尽可能多地回收煤炭资源;（5）工作面配套设备要简单、轻便、灵活、易搬运，适合其开采过程中添减设备及搬家移面频繁的特点。2.2 试验巷道的布置根据边角煤柱的开采原则，在煤层可采厚度范围内，巷道的布置方式依据综掘机允许的转弯半径和后配套设备的转弯要求，在掘进过程中根据揭露煤层厚度的变化情况调整巷道掘进方向时的转弯方式，以尽可能多地圈定可回采区域。7320上顺布置在七采区西部3下煤层中，巷道沿煤层底板掘进。开口位置在7315下顺槽，以西部停头位置为开门点， 270方位角，2-2断面锚网支护向前施工至绞车房,然后以240方位角1-1断面锚网支护，继续向前施工约230m，再以26130方位角，向前施工至接露风氧化带，然后沿3下煤风氧化带边界进行掘进。采用先探后掘的方式进行。根据掘进机和皮带转弯装置的转弯要求以及探得的煤层变化情况，设计巷道转弯处5处，其中弧线型转弯3处，最小转弯半径180m；折线转弯2处，巷道掘进长度800m。图2-1 7320上顺槽位置图2.3 煤层变化勘探1）勘探孔的布置采用钻机向煤层打勘探孔，勘探孔分两种类型。一种是布置在掘进工作面前方的，主要是用来探明煤层厚度变化情况，采用3个钻孔，一字型布置，距煤层巷道底板1m布置。1#钻孔与煤层倾角成夹角3.15，距巷道中心线0.5m，钻孔深40m以上；2#钻孔平行于煤层，布置在巷道中心线上，钻孔深40m以上； 3#钻孔与煤层倾角成夹角6.27，距巷道中心线0.5m，钻孔深20m以上。巷道内探煤钻孔布置方式见图2-2。巷道每向前掘进30m，布置钻孔探测一次，保持超前掘进工作面10m。另一种钻孔是布置在靠煤层露头风化带侧的巷帮上，主要是用来探明巷道距煤层露头风氧化带的距离。采用5个钻孔，钻孔呈一字形布置，孔口位置距巷道底板1m，钻孔间距0.5m，钻孔深80m，钻孔布置见图2-3。钻道每向前掘进60m，在巷道的迎头风氧化带侧巷帮上布置钻孔探测一次。（a）正视图（b）侧视图图2-2 煤层厚度勘探钻孔布置图（a）正视图（b）俯视图图2-3 巷道距煤层露头风氧化带勘探钻孔布置图2）巷道方向的确定（1）巷道距煤层露头风氧化带距离的确定根据钻孔内排出的粉末确定钻头处的岩性，当确定粉末为岩粉时，停止打钻，记录钻孔深度。根据5个钻孔碰到岩石时的深度和钻孔与巷道掘进方向的夹角关系确定出煤层露头风氧化带位置及变化趋势，从而确定巷道距煤层露头风氧化带的距离。（2）煤层厚度的确定根据钻孔内排出的粉末确定钻头处的岩性，当确定粉末为岩粉时，停止打钻，记录钻孔深度。根据3个钻孔碰到岩石时的深度和钻孔与巷道水平方向的夹角关系确定出煤层厚度变化趋势。 （3）确定巷道的方向根据勘探钻孔确定的煤层厚度和距煤层露头风氧化带的距离及变化趋势，确定巷道的方向。但确定巷道方向必须遵循以下原则：巷道施工中，必须按先探后掘，勘探钻孔按上述布置要求布置。根据勘探钻孔探测到的煤层厚度和巷道距煤层露头风氧化带的距离，综合考虑掘进机和转弯装置的使用条件确定转弯方式和转弯装置。当煤层厚度和巷道距煤层露头风氧化带变化趋势缓慢时，可考虑采用弧形巷道转弯，皮带转弯使用弧形转弯装置。当煤层厚度和巷道距煤层露头风氧化带变化趋势很快，可考虑采用对巷道分段取直，皮带转弯使用折线转弯装置。根据勘探钻孔确定要进行巷道转弯时，在新确定的巷道掘进方向要再打勘探钻孔探测。3 边角煤探煤巷道设计与围岩控制沿3下煤层底板掘进的边角煤探煤巷道（即7320工作面上顺槽）为实体煤巷道，依据煤巷围岩稳定性分类标准，确定边角煤探煤巷道稳定程度属于稳定类别。依据工程类比法，确定边角煤探煤巷道采用全锚（即锚网钢筋梯锚索）的支护形式。锚杆采用KMG500左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆。在地质条件复杂、不易维护的地段采用12矿用工字钢棚架双棚支护。3.1 巷道断面为保证边角煤探煤巷道满足掘进及工作面回采要求，在本课题中，探煤巷道的支护方式主要采用锚网支护，断面设计为矩形，巷道净宽4200，净高为3000，S荒 = 14.08 ，S净 = 12.6；在地质条件特殊的地段采用12矿用工字钢棚双棚支护，巷道净宽3300，净高为2800，S荒 = 12.24，S净 = 10.62； 3.2 巷道支护设计与围岩控制3.2.1永久支护1）锚网支护边角煤探煤巷（7320上顺槽）采用锚网支护作为永久支护时，支护材料预选为222200KMG500左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆，冷拔钢丝金属网、8钢筋梯、185500锚索。(1) 锚杆按悬吊理论计算锚杆参数：锚杆长度计算：L = KH + L1 + L2式中：L 锚杆长度，m；H 冒落拱高度，m；K 安全系数，一般取K=2；L1 锚杆锚入稳定岩层的深度，一般按经验取0.5m；L2 锚杆在巷道中的外露长度，一般取0.1m；其中： H = B/( 2f )4.4/25）0.44(m)式中： B 巷道开掘宽度，取4.4m；f岩石坚固性系数，取5；则 L=20.44+0.5+0.1=1.48(m)锚杆间、排距计算，通常间排距相等，取a：式中： a锚杆间排距，m Q锚杆设计锚固力，150kN/根 H冒落拱高度，取0.44m被悬吊岩石的密度，取22.5 kN/m3K安全系数，一般取K2；则 2.75 （m）锚固长度计算：=2083.375（mm）其中：L0锚固长度，mmL树脂药卷长度，1000mmD钻孔直径，28mmD1树脂药卷直径，25mmD2锚杆直径，22mm通过以上计算，顶部选用222200KMG500左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆，CK25100脂锚固剂每孔一支，全长锚固，锚杆间距：800，排距：900。帮部选用201800 KMG400左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆，CK2880型树脂锚固剂每孔一支，全长锚固，锚杆间距为1200，排距为900。帮铺设10#冷拔铁丝26001000菱形网，网与网对接并用12铁丝隔2扣相连；顶帮挂8圆钢焊接的钢筋梯，帮部也可不挂钢筋梯或使用皮锚带。锚杆设计锚固力：顶部150kN、帮部100kN。锚杆螺母设计扭矩：顶锚杆120Nm，帮锚杆60Nm。当遇到围岩稳定性较差、顶板有压力显现等特殊条件时，锚杆排距缩小为800。（2) 锚索支护锚索：185500高强度低松弛预应力钢绞线及配套锁具。托盘：25025020mm Q235A钢板制作。锚固剂：CK25100型树脂锚固剂，每孔2只。锚索预应力：80kN。设计承载力：200kN。锚固长度计算：=2717.375（mm）其中：L0锚固长度，L树脂药卷长度，1000D钻孔直径，28mmD1树脂药卷直径，25D2锚索直径，18锚索布置：正常情况下每施工五排锚杆沿巷中布置一根锚索；当遇顶帮压力显现及顶板破碎等情况时，采取加密锚索进行加强支护，每施工三排锚杆打两根锚索，两根锚索间距2.0m，沿巷中两侧各1m布置。交岔点使用不少于6根185500mm高强锚索进行加强支护。巷道锚网永久支护参数及特征如图3-1、表3-1所示。图3-1 锚网永久支护巷道断、平面图表3-1 锚网永久支护巷道特征及支护说明表名 称单尺寸名称单尺寸帮钢梯长mm2600顶网长度mm44001000顶钢梯长mm4200净断面m212.60帮锚杆长mm1800掘进断面m214.08顶锚杆长mm2200巷道净宽mm4200帮网长度mm26001000巷道净高mm30002）架棚支护在一些靠近风化带、小构造较发育，巷道顶板较破碎、易冒落地段，采用架棚支护加强围岩控制。架棚支护材料选用12矿用工字钢，棚梁全长3.6m，净宽3.3m，棚爪及加固板焊接牢固，棚腿全长3.0m。棚梁上铺设冷拔钢丝金属网，网与网对接或搭接100，每隔一扣用12铁丝连接并扭三匝；每架棚顶部均匀设6块背板、每帮棚腿与煤壁之间均匀设置6块背板，撑木：在梁两端各设一根撑木，在顶梁下300和巷道底板上500处的棚腿上各设一根撑木；背顶、背帮必须用木楔刹紧背实；撑木必须打牢，撑木两端不准塞其他东西。棚子支设要垂直于巷道顶底板和巷道中心线，棚腿扎角10，棚腿要达到巷道实底，否则必须垫25016050木鞋；棚距900。巷道架棚永久支护参数及特征如表3-2、图3-2所示。表3-2 架棚永久支护巷道特征及支护说明表名称单位尺寸名称单位尺寸棚腿长度3000掘进断面12.24棚梁长度3600巷道净宽3300支架每米用量672巷道净高2800巷道净断面10.62附注棚距 900 、双棚支护图3-2 架棚永久支护巷道断、平面图3.2.2临时支护1）在锚网支护情况下的临时支护在以锚网支护为永久支护的巷道围岩控制中，采用在靠近迎头的锚杆外露螺纹上安装吊环穿前探梁做为临时支护，见图3-3。前探梁：754500的钢管，其尾部焊接有带挂钩的小链；吊环：用450（长）40（宽）10（厚），其上均匀钻有22孔的“U”型钢板，焊制在1304020中间有M24内螺纹的长方形钢板上，吊环带有20mm钢筋制作的销子。前探梁穿过前后吊环达到迎头，其前部上方放置金属网、8钢筋梯，压紧探梁后插入吊环销子；所有小链均挂在顶网或钢梯上。也可使用“U”型圆钢吊环，制作要求：用16“U”型圆钢焊接在规格为1606020，中间有M24内螺纹的钢板上加工而成。锚网断面使用探梁数量：4根；每根探梁不少于两个支点；临时支护长度：2300（机掘）、1400（炮掘）；最小控顶距：500（机掘）、500（炮掘）；最大控顶距：2300（机掘）、1400（炮掘）。2）在架棚支护情况下的临时支护在采用架棚支护为永久支护的特殊地段巷道围岩控制中，应用在靠近迎头及后部的矿用工字钢棚梁上穿吊环、吊环上穿前探梁作为临时支护。前探梁：14#槽钢，全长 3500；吊环：16的圆钢加工而成；铁插杆：采用18Kg/m钢轨梗加工而成，全长2000。前探梁前上部放置金属网（网与网对接、隔扣相连）、背板、工字钢顶梁、铁插杆，前探梁后部与顶板之间用木墩、大木楔塞紧加牢。探梁、大木楔、或木墩都均有带钩的小链，并将其挂在顶网上。图3-4断面使用3根铁插杆、2根探梁，每根探梁2个支点；临时支护长度：1600；最小控顶距：700；最大控顶距：1600。 图 3-3在锚网支护情况下的临时支护平面、剖面图图3-4 在架棚支护情况下临时支护平面、剖面图4 多转折巷道机械化掘进设备配套技术4.1 掘运设备组成多转折巷道机械化掘进工艺掘运系统主要由综掘机和可转弯带式输送机组成，掘进机割下的煤转载至可转弯带式输送机直接经上山运出。4.1.1转弯带式输送皮带转弯原理转弯带式输送皮带转弯装置是根据柔性带状体的材料性能特点研制的。根据转弯角度的不同，设计制造了2种类型的转弯装置。当转弯角度小于10的情况下，采用输送机胶带水平绕立托辊变线圆弧形转弯原理制成。转弯原理如图4-1( a)所示，当转弯角度大于10时，采用输送机胶带的可绕圆轴缠绕传动原理和绕与传动方向成夹角圆轴改变传动方向原理设计而成。如图4-1(b)所示，输送机皮带经过1#、2#平托辊可以改变皮带的运行方向。根据现场巷道转弯角度，皮带运行方向可以通过调整转弯装置上平托辊角度实现皮带运行方向的改变。皮带转弯装置现场应用效果见图4-2。 (a)弧线转弯（b）折线转弯图4-1 皮带转弯原理示意图小转弯 （10）应用现场 大转弯（10） 应用现场图4-2 转弯装置应用现场图4.1.2 DZ-带式输送机转弯装置1）简介带式输送机转弯装置是徐州天科机械制造有限公司的专利产品。该装置无需动力，安装后可以代替因巷道转弯而造成的两部或多部带式输送机的搭接运输。可根据现场需要在一部皮带机上可同时安装多部转弯装置，见图4-3。转弯装置不改变皮带机性能,掘进机与加转弯装置后的皮带机搭接方式与原有搭接方式相同。转弯装置现场安装空间上无特殊要求,一套转弯装置一天即可安装调试完毕。正常情况下,一部皮带输送机运距长度为1000m,若需要加长时,则需要提高可转弯曲胶带输送机的驱动功率和提高胶带强度级别。图4-3 皮带转弯装置安装虚拟图经过近多年的技术上探索和五百多台转弯装置在煤矿上成功应用，该装置已克服初期在结构、使用等方面的不足，转弯装置技术已更加成熟，与初期相比做了以下改进：（1）外型尺寸更小，只要能够满足两台皮带机搭接的空间就能满足安装转弯装置的需求。（2）转向滚筒上按空间包络线排列异型辊筒结构更加紧凑，胶带轨迹与滚筒表面曲线更加吻合，使皮带机运行阻力系数减小。（3）转向滚筒上的异型辊筒的密封结构改变、数量增加，使滚筒在有水等恶劣的环境下可正常工作。（4）转向滚筒上的异型辊筒外型由直线型变。2）转弯装置的主要优点巷道运输使用转弯装置与不使用转弯装置相比具有以下优点：（1）功能强大：不仅可以实现0-180转弯，且可以压带，避免飘带。（2）安装方便：地锚、点柱、混凝土基础均可实现（3）维护简易：只有异形小辊筒是易损件，其余为常用件，且其异形小辊筒仅为轴承损坏，用户自己可以维护修理，不需专门人才。（4）节省岗位：不需设置专人专岗，定时巡查即可。故障易发现，易排除。（5）安全可靠：本装置可视为皮带机一个特殊功能件，符合安全规程。在下运情况下可以解决飞车问题，增加运输系统的安全性。（6）适用性强；可以与任何规格、各类安装形式的皮带机配套使用。原皮带机安装转弯装置后，其各种输送参数特性不会改变。（7）节电效果显著；由于减少装机容量，运行过程中可以节省大量电耗。有下坡运输或代替溜子时效果更佳。（8）运营成本低：设备拆装运输方便，可长期反复使用；系统简化，故障率低；省人、节电，维护费用低，经济效益显著。（9）节省设备初期投资：每台转弯装置可代替一部皮带机的头、尾、张紧、电控、储带。其铺设和安装工作量均大大节省。3）转弯装置的使用参数转弯角：0180带宽：5001400mm机型：所有带式输送机转折次数：45次阻力系数：K=1.081.124.2 掘进机、皮带输送机与转弯装置的配套技术依据南屯矿现在使用的MRH-S100掘进机的技术参数（见表4-1），MRH-S100掘进机机身长8.3m，自身最小转弯半径为7.5m；在后跟转载机（机身长18m）的情况下最小转弯半径180m，而徐州天科机械制造有限公司生产的弧线转弯装置最小转弯半径80m,可与掘进机配套使用完成小角度转弯，对于转弯角度大于10的转角，可采用折线转弯装置，完成掘进的连续运输，见图4-4。表4-1 MRH-S100型掘进机技术参数表机 重28t定位截割宽度5.3 m机 长8.3 m经济截割硬度60 MPa机 宽2.8/2.4/2.05 m装载能力180 m/h机 高1.8 m履带行走速度8/4 m/min定位截割高度4.63m适应坡度15最小转弯半径7.5m胶带转载机长度18m接转载机的最小转弯半径180m图4-4 掘进机与可转弯皮带配套应用示意图5多转折巷道掘进工艺系统5.1 施工工艺在正常情况下采用掘进机落煤出煤，刮板运输机、皮带运输机运煤；锚网支护；遇大断面交岔点、地质构造，夹矸变薄带等特殊情况下，采用架棚支护。1）凿岩方式巷道采用MRH-S100掘进机截割破煤岩的方式掘进，RTM/1436-85SS顶置式风动锚杆钻机、煤电钻、风动帮锚杆钻机打眼，风源来自地面压风机房。2）装、运方式（1）开口掘进阶段：在7315下顺槽内，安装一部RMH-S100掘进机和一部SGW-40刮板输送机至联络通道开门位置，采用掘进机装、转运煤，刮板输送机运煤。（2）正规掘进阶段：撤除掘进机后刮板输送机，安装一部SJ-800皮带输送机。采用掘进机装、转运煤，皮带输送机运煤，底皮带进料。施工过程中巷道拐弯处安设皮带拐弯装置。3）施工工序（1）锚网支护工序图5-1 锚网支护工序流程图（2）架棚支护工序 图5-2 架棚支护工序流程图（3）掘进机割煤方式掘进机割煤先巷道中心开始，用截割头先在中心上钻一个窝，然后按逆时针方向由中心向四周旋转割煤，直至最后巷道成形。割煤方式见图5-3。（a）矩形断面示意图(b)梯形断面示意图图5-3 掘进机截割轨迹图5.2 劳动组织5.2.1劳动组织采用“三八”制作业方式。循环方式为：两班半掘进进尺，半班检修；日完成一个正规循环，进尺13.5m。表5-1 劳 动 组 织 表5.2.2循环作业图表为保证正规循环作业的完成，掘进工作面施工作业必须根据劳动组织的人员配备，定时间 、定任务、定质量，合理安排工序。工序和工序之间尽量做到交叉进行，平行作业，以充分利用工作时间，提高工时利用率。表5-2 机掘锚网正规循环作业图表 表5-3 机掘架棚正规循环作业图表6 沿边角煤边界掘进的探煤巷道矿压规律为了分析研究沿边角煤边界掘进的上顺槽巷道围岩的变形规律，包括在转弯区域巷道的变形，在73下20工作面上顺槽掘进期间，通过布置观测站进行了围岩变形观测。6.1 观测内容现场观测主要包括如下内容：（1）边界区掘进巷道的围岩变形规律，包括巷道表面位移量、顶底板及两帮移近速度；（2）边界区掘进巷道的离层及深部位移规律；（3）锚杆受力状态。6.2 观测仪器根据以上观测内容，需要以下观测仪器：钢卷尺或测枪，测杆，测力锚杆，静态电阻仪,锚杆位移计，顶板离层指示仪，锚杆拉力计锚索拉力计等，详见表6-1。表6-1 巷道监测所需观测仪器序号监测内容监 测 仪 器型 号数量1巷道表面位移钢卷尺或测枪、测杆各2套2锚杆受力状态锚杆测力计MJY-1203深部围岩变形多点位移计DW-8124顶板离层量顶板离层指示仪KJ6345锚索受力锚索测力计YGS-3086.3 观测方法在上顺槽掘进期间共安设两个测站，测站间距50m，每个测站三组测线，测线间距5m，分别布设在转弯巷道处和非转弯巷道处。在每条测线上均布设巷道表面位移测点、多点位移计测点、锚杆测力计和锚索测力计测点。观测站的布置如图6-1所示。图6-1 测站布置示意图6.3.1测点布置示意图（1）巷道表面位移的观测ADBO5m5m5m5m巷道轴向C（a）垂直轴向（b）平行轴向1测线2测线3测线采用“十字量测法”进行观测，如图6-2所示。在C、D之间绷紧线绳，A、B之间拉紧钢卷尺，测出OA、AB值；在A、B之间绷紧线绳，C、D之间拉紧钢卷尺，测出OC、OD值；读数时精确到1mm。用皮尺测量观测断面到掘进头之间的距离。在距掘进头15m以内要求每天观测一次，其余时间要求每周观测12次。图6-2 巷道表面基点布置示意图（2）锚杆受力状态观测 采用MJY-1型锚杆测力计安装在锚杆托盘和螺母之间，观测巷道顶部和两帮锚杆安装后随时间的受力变化情况，如图6-3所示。托板1钻孔托板2锚杆测力计螺母锚杆图6-3 锚杆测力计安装示意图（3）巷道围岩深部位移观测为深入分析沿边界掘进巷道围岩深部位移的移动变形情况，现场实测采用KDX-1机械式多点位移计对73下20上顺槽巷道进行观测,深基点测点布置见图6-4。 （a）整体安装示意图 （b）测孔放大示意图图6-4 深基点测点布置示意图如图6-4（a）所示，现场实测将多点位移计布置于顶板和两帮，顶板和两帮钻孔均安装45个基点，基点布置深度由浅到深依次为1.0m、2.0m、3.0 m、4.0 m。6.4 观测结果分析6.4.1巷道围岩变形图6-5、图6-6为巷道掘进期间非转弯处巷道围岩的变形情况。由图中可知，位于边界区域的巷道掘进期间围岩变形具有如下规律和特点：图6-5非转弯处巷道围岩的变形速度随时间的变化图6-6非转弯处巷道围岩的变形量随时间的变化（1）巷道掘进稳定时间在13天左右；巷道稳定后的顶底板移近速度小于1mm/d，顶底板累计相对变形量为25mm，两帮相对变形量为28mm。两帮变形量大于顶底板移近量。（2）巷道掘出后初期（23d内），顶底板移近速度大于两帮移近速度，之后则是两帮移近速度大于顶底板移近速度，但两帮收敛速度较顶底板收敛速度快。（3）巷道掘进后的5天内是其围岩变形显著期，而且两帮变形速度大于顶底板的变形速度。最大变形速度达到67mm/d。在此之后的缓慢变形期内，顶底板的变形速度大于两帮。（4）巷道掘进稳定期间顶底板相对变形速度和两帮相对变形速度小于1mm/d。图6-7、6-8为巷道掘进期间位于转弯处巷道围岩的变形情况。由图中可见，在巷道转弯处围岩的变形规律与非转弯处总体上是一致的，但由于转弯处应力的变化及断面形状过渡的影响，使得巷道掘进初期的顶底板和两帮的移近速度则相对较大，在79mm/d范围，显著影响期时间延长到89天。图6-7 转弯处巷道围岩的变形速度随时间的变化图6-8 转弯处巷道围岩变形量随时间的变化图6-9为靠边界侧煤体变形的多点位移观测结果。由图中可见，在巷道开掘后的初期，煤体内的位移速度均较大，但主要发生在距巷帮2.0m范围的煤体。在巷道的显著变形期内，煤体的变形主要集中在距巷道1.5m范围内，但煤体内的位移速度衰减很快，在3d后基本趋于稳定。图6-9 边界侧煤体变形随时间的变化6.4.2巷道顶板的离层特征现场观测表明，巷道顶板离层量很小，监测范围内顶板很少出现离层现象。图6-10、6-11为巷道转弯处观测站所测的顶板离层情况。由图中可知，在锚固区内外出现了离层现象，而且锚固区内的离层量略大于锚固区外的离层量，分别为8mm和6mm。这种情况主要是在巷道掘进初期不同层位的顶板下沉速度发生变化，以及边界区煤岩受风化的影响造成煤岩体强度变化引起的，因此，在边角煤或上限边界区掘进巷道时，应保证锚杆和锚索的施工质量，进一步提高锚杆和锚索的预紧力。图6-10 顶板离层速度随时间的变化图6-11 顶板离层量随时间的变化6.4.3 锚杆受力分析（1）锚杆托盘压力的变化通过对巷道锚杆测力计的观测结果分析，得出图6-12所示的锚杆受力随时间的变化关系。从图中可以看出： 锚杆安装后的26d内，是锚杆受力增长较快的时期，而且在转弯处的边界侧、顶部和非转弯的靠边界侧锚杆的受力增长速度大于其他情况。整个巷道断面内，各部位锚杆的受力增长速度一般在10天后趋于稳定