井巷掘进新技术新装备及工艺课件

井巷掘进新技术新装备新工艺河南理工大学煤巷、半煤岩巷快速掘进技术岩巷快速掘进技术概述主要内容煤巷支护技术由于现代矿山高强度开采，巷道掘进量也随之大量增加煤巷、半煤岩巷、岩巷年掘进量超过15000km随着安全高效机械化采矿技术在的应用，掘进速度和支护质量的要求也越来越高

近年矿山科技的迅速发展，科研院校、企业等就巷道快速掘进技术进行了研发，将新工艺、新技术、新装备应用于安全高效的现代化煤矿中。一、概述2.1综掘机快速掘进技术综掘机配单体气动锚杆钻机支护综掘机配机载式锚杆钻机支护综掘机配两臂式锚杆钻车支护综掘机配运锚机二、煤巷、半煤岩巷快速掘进技术

技术特点：该技术是我国目前应用最为广泛，技术比较成熟，适应一般地质条件的巷道掘进与支护。其存在的问题主要是掘进与支护交替顺序作业，掘进效率低，劳动强度大。+技术特点：该技术是在掘进机上增加两个锚杆钻臂，实现掘进与支护平行作业。虽在一定的程度上降低了劳动强度，但机载钻机支护范围受限，较难单独完成整个工作面的巷道支护任务。①综掘机配单体气动锚杆钻机支护②综掘机配机载式锚杆钻机支护2.1综掘机快速掘进技术①该技术适应我国一般地质条件下采用锚杆支护的巷道顶板条件；②掘进与支护工序交替协调作业；③掘进机与两臂锚杆钻机交叉调机，要求巷道宽度必须在5m以上。+③掘进机配两臂式锚杆钻车支护技术特点2.1综掘机快速掘进技术

（1）实现掘进与支护平行作业；（2）支护工作中增加临时支护工序；（3）应用较为破碎的巷道顶板条件。④综掘机配运锚机技术特点2.1综掘机快速掘进技术2.2连续采煤机快速掘进技术

连续采煤机快速掘进技术是近年来我国引进发展可用于煤巷快速掘进的一种先进工艺技术，是一种新型的巷道掘进设备，具有巷道掘进速度快、成型好、掘进工艺简单等优点。

巷道掘进方式主要以双巷和多巷掘进为主。

采用双巷或多巷掘进，掘进与支护平行作业，掘进效率高，掘进速度快，月进尺1000m以上。目前主要有两种配套作业线：

作业线1：连续采煤机+锚杆钻车+梭车+

给料破碎机+带式输送机；作业线2：连续采煤机+锚杆钻车+连续运输系统+带式输送机；（1）双巷及多巷快速掘进与支护2.2连续采煤机快速掘进技术给料破碎机锚杆钻车梭车连续采煤机铲车

作业线1：a、设备2.2连续采煤机快速掘进技术b、工艺与设备布置技术特点：①适用于煤层赋存稳定的近水平中厚煤层；②要求顶板为一般稳定顶板；③底板要求稳固、平整、无积水；④每隔60～80m需掘联巷，巷道宽度大于4.5m。2.2连续采煤机快速掘进技术连续采煤机连续运输系统锚杆钻车铲车a、设备

作业线2：2.2连续采煤机快速掘进技术b、工艺与设备布置技术特点：

①适应赋存稳定的中厚煤层，中等稳定顶板；

②适应煤层倾角在12度以下，局部坡度不超过16度；③每隔60～80m需掘联巷，巷道宽度在5.5m以上。

2.2连续采煤机快速掘进技术

单巷快速掘进配套作业线主要有以下两种：

作业线1：连采机+两臂锚杆钻车+掘锚后配套

作业线2：连采机+四臂锚杆钻车+梭车（2）连采机单巷快速掘进与支护2.2连续采煤机快速掘进技术作业线1：作业线2：技术特点：

①支护与掘进交替作业，顶板支护机械化，劳动强度低；②需要设计调机硐室（可兼作探放水硐室）；③巷道月进尺500～600m。2.2连续采煤机快速掘进技术

掘锚一体机是指将掘装功能与锚杆钻机的钻锚支护功能有机的结合在一起，构成整体的掘锚装备，实现切割、装运、行走、锚杆支护于一体，达到掘、支平行作业，快速掘进。

同连续采煤机和锚杆钻车交叉换位施工相比，掘锚一体化技术适用范围更广；同悬臂式掘进机作业线相比，掘锚联合机组的掘进工效是前者的2倍以上。掘锚一体机2.3掘锚一体机快速掘进技术

国内掘锚一体机相配套的生产作业线主要有两种：

作业线1：掘锚一体机+掘锚后配套作业线2：掘锚一体机+八臂锚杆钻车+转载运输皮带作业线1：掘锚一体机+掘锚后配套技术特点：

（1）集掘进、支护、运输、破碎、缓冲转载功能于一体，实现连续平行作业；（2）掘进25m向前拉移一次皮带，掘进与运输效率大大提高；（3）掘锚一体机主要在晋陕蒙宁各大矿区广泛使用。2.3掘锚一体机快速掘进技术

作业线2：

太原煤科院与神东煤炭公司合作，设计研发世界首套单巷快速掘进系统，主要由五种设备组合而成，月均进尺1500～2000m，主要技术特点：

（1）单巷实现掘进、运输、支护三套系统协同独立工作，大幅提高巷道掘进效率；（2）顶、底板中等稳定，允许一定空顶，煤层倾角≤3度；（3）适应巷道断面宽度5.4～6.0m，高度3.5～4.5m。

2.3掘锚一体机快速掘进技术采用掘锚机完成掘进作业。全宽的可伸缩截割滚筒，一次成巷。掘锚机不支护，司机在十臂锚杆钻车上远程操作。掘锚机2.3掘锚一体机快速掘进技术十臂锚杆钻车2.3掘锚一体机快速掘进技术

履带式转载破碎机铲板式装载机构，具有清理浮煤功能。刮板机转载、滚筒式破碎功能。履带式行走，作为可弯曲胶带机的牵引头车。2.3掘锚一体机快速掘进技术定点弯曲，跟随连续采煤机、掘锚机的转弯、开掘硐室要求。变频电动滚筒多点驱动。特制可弯曲胶带。前进、退机采用联动控制，不需人工干预。可弯曲胶带转载机2.3掘锚一体机快速掘进技术变频器用于驱动胶带。在自移机尾的刚性架上移动，采用销齿驱动，牵引可弯曲胶带机后退。与破碎机联动。2.3掘锚一体机快速掘进技术自移动力站以十臂锚杆钻车为操控中心，集中显示工作面视频及设备状态信息。设备之间配备测距传感器，相互定位，实现掘、锚、运多个作业单元联动。通讯控制2.3掘锚一体机快速掘进技术3.1岩巷钻装机组快速掘进（1）用人少，效率高，安全性能好，劳动强度低，工作环境改善；（2）不受岩石硬度的限制，适用于中小断面硬岩巷道的掘进；（3）钻装一体化，经济性能好，月均进尺100m，月最高进尺220m(双鸭山三矿)。凿岩及装运两项功能于一体，解决设备交叉换位的空间和效率问题，实现岩巷快速掘进。CMZY1型岩巷钻装机组CMZY2型岩巷钻装机组

技术特点：三、岩巷快速掘进技术

近几年，我国在吸收、借鉴国外掘进机先进设计理念和制造技术，研究、设计、开发了EBZ300、EBH300、EBH315、EBH350大功率硬岩掘进机，国产系列大功率岩巷掘进机的研制成功，代表了掘进机的发展趋势，为煤矿岩巷的快速掘进提供了较为成熟的装备。主要技术性能达到国际同类产品的先进水平。3.2岩巷重型掘进机掘进三、岩巷快速掘进技术

主要参数

机型巷道断面/m2硬度系数/f月进尺/m使用单位山特维克

AHM10525.21090新汶矿业EBH31525.210～1490新汶矿业EBH31521.36～10175神东煤炭集团全岩掘进机应用情况

EBH315型岩巷掘进机，目前为国内机重最大、截割能力最强、自动化程度最高的岩巷掘进机。三、岩巷快速掘进技术3.3岩巷盾构机掘进（TBM）盾构机在国内隧道掘进中，取得了月最高进尺1034m的好成绩。三、岩巷快速掘进技术（一）工作原理利用旋转刀盘上的滚刀挤压剪切破岩，由悬臂掘进机的“刨削”优化为“磨削”。通过旋转刀盘上的铲斗齿卷起石渣，落入主机皮带机上向后输送，通过后方的二运、三运皮带机运走。设计适用岩石单轴抗压强度

30～160Mpa。三、岩巷快速掘进技术硬岩盾构机（TBM）厂房实物图硬岩盾构机（TBM）厂房实物图

（二）TBM主要构成主要构件：

设备由刀盘、驱动、护盾、大梁、撑紧推进机构、后支撑机构、后配套拖车等主要构件组成。主要系统：

设有出渣系统、防尘系统、支护系统、物料输送系统、导向系统、液压系统、润滑系统、水系统、电气系统等。与常规隧道盾构机的不同点：出渣（梭车-胶带机）、支护（管片-锚杆）、物料（梭车-单轨吊）、电器（普通-防爆）。三、岩巷快速掘进技术名称数值主机长度50米总重量350吨推力最大推力：12000kN（1200吨）扭矩最大扭矩2100kN.m脱困扭矩2500kN.m刀盘直径4.5m刀盘转速最大推进速度10.7rpm/min推进速度100mm/min整机装机功率2000千瓦驱动功率360*4kW输送能力带速2.5m/s，运量为350t/h（三）主要参数三、岩巷快速掘进技术施工现场图盾构机拆除打运路线：在接收硐室拆除，刀盘、主机及其他配套模块回收路线。盾构机回收线路三、岩巷快速掘进技术（1）研发、施工遇到的困难打运：体积、重量远大于普通煤矿设备组装：井下缺少大型安装的硐室过断层异常区：部分顶板岩层节理发育、破碎，支护困难。排矸：连续性排矸量大突出矿井“防爆”材料、人员运输三、岩巷快速掘进技术（四）工程实践（2）配套运输系统连续化排矸系统：

采区配套专用排矸皮带运输系统，混合立井中布置一套9t矸石箕斗，专用于提矸，实现排矸连续化。多元化辅助运输：

平巷运输采用防爆蓄电池机车，采区内部采用单轨吊运输。（四）工程实践三、岩巷快速掘进技术刀盘安装图撑靴安装图主驱动电机安装图拖车组装图操作控制室巷道进尺：1月10日～3月12日，700m巷道完工并准确实现贯通，耗时52天。平均单进13.5m/d，最高日进尺30.7m（3月4日）。综合单进404m/月。三、岩巷快速掘进技术（四）工程实践第二条试验巷道施工情况巷道名称：张集矿1415A高抽巷。工程量：1308米。2015年7月5日掘进，10月10日完工。掘进时间97天，进尺1308米，9月份单进达到560米，创造淮南矿业集团硬岩巷道掘进最高纪录。三、岩巷快速掘进技术煤矿全断面硬岩掘进机（TBM）最适于硬岩掘进，最能发挥设备效能。试验巷道遇到软分层，总长度260米，软岩滑面发育，帮、顶岩石在弧顶和肩窝掉落，影响掘进。过软分层应对措施：超前支护，缩短顶板暴露时间，具备支护条件的地方立即支护。关注推力及进度数值变化，岩石较软地段降低转速，减少刀盘振动对围岩的破坏，放缓推进速度、减少步进距离。三、岩巷快速掘进技术掘进支护后巷道情况

煤矿全断面硬岩盾构机（TBM）的应用，是煤矿掘进技术的重大创新，进尺指标创造了淮南矿业集团硬岩巷道掘进新纪录，同时也是我国煤炭行业、世界煤炭行业新纪录，标志着世界首条立井煤矿全断面硬岩盾构机（TBM）试验取得成功，是岩巷快速掘进的一个里程碑。

煤矿全断面硬岩盾构机（TBM）充分发挥效能的三个条件：硬岩、地质构造简单、长距离。三、岩巷快速掘进技术2015年12月22日，我国第一座采用盾构机施工的煤矿斜井——神华神东补连塔矿2号副井顺利贯通，这标志着我国矿用斜井设计施工与装备技术达到世界先进水平。三、岩巷快速掘进技术未来煤矿全断面硬岩盾构机（TBM）发展方向：小型化轻量化智能化断面可调整合前探和超前注浆设备模块化组装矸石减排井下处理、应用三、岩巷快速掘进技术1、综掘工作面的综合配套能力，进一步加强和完善。掘进机机载锚钻系统、机载临时支护系统、机载除尘系统等，通过多功能的集成，实现了单机成巷速度和安全生产的目标。2、掘锚一体化技术代表了煤矿快速掘进技术的发展方向，是未来高产高效矿井技术的重要组成部分，有广泛的应用前景。3、引进盾构隧道掘进技术，研制煤矿硬岩掘进机4、逐步建立掘进技术规范标准，补充完善《煤矿安全规程》有关条款，实现科学设计、安全高效回采。三、岩巷快速掘进技术2023/7/2651引言第一阶段被动支护第二阶段主动支护第三阶段主动、被动联合支护结语四、巷道支护技术发展2023/7/2652引言巷道支护问题远没有解决

理论：载荷的确定、岩体的性质研究不充分设计方法：巷道服务期内不返修的设计方法至今没有建立技术：基于功能要求的巷道支护技术不完善

第一阶段——被动支护（型钢）第二阶段——主动支护（锚杆、锚索）

锚杆、锚索联合支护

锚杆、锚索协调支护第三阶段——主动、被动联合支护各种支护方式之间的协调引言第一阶段——被动支护2023/7/2655被动支护作用原理：围岩松动以后支护体才起作用；支撑力不可能完全限制围岩的位移；支撑力小到一定程度，围岩变形急剧增大，甚至破坏；不同特性支架、支护时间不同，支架承受载荷不同；合理支撑力应在曲线拐点附近。巷道支护-围岩关系Ⅰ——巷道围岩支护特性曲线第一阶段——被动支护2023/7/2656被动支护存在的主要问题支护结构本身的可缩量小，大于200mm时，支护结构的承载力减小；支护成本高；安装困难，劳动强度大。没有考虑流变等问题，不适应大变形巷道的早期支护。多数支护不封底。第一阶段——被动支护2023/7/2657第一阶段——被动支护σv巷道σvσTσT巷道两帮、底板应力转移示意图工字钢支架2023/7/2659

主要架型及结构

1）马蹄形支架6节马蹄形可缩性支架被动支护的发展——U型钢封闭型可缩性支架2023/7/2660马蹄形支架腿与底梁的联接方式a－插入式b－螺栓（或销子）铰接c－在底梁上用连接件d－在柱腿下部用连接件马蹄形支架被动支护的发展——U型钢封闭型可缩性支架2023/7/2661

2）圆形支架圆形可缩性支架a－4节式b－5节式被动支护的发展——U型钢封闭型可缩性支架2023/7/2662

圆形支架应用实例淮南谢一矿不同支架服务期间总费用比较淮南谢一矿掘巷后不同支架段支架与围岩变形对比2023/7/26633）

方（长）环形支架方（长）环形可缩性支架a－方环形b－长环形2023/7/2664加高圆形支架特种封闭型支架2023/7/2665

方（长）环形支架的发展拱形支架载荷分布图（权台矿3108区段回风平巷）2023/7/2666方环形支架载荷分布图（淮南谢一矿－480mB8层区段运输平巷）

方（长）环形支架的发展2023/7/26672023/7/2668方环形、圆形支架承载能力对比

方（长）环形支架的发展2023/7/26692023/7/2670金属巷道支架选型2023/7/2671被动支护的发展——钢管混凝土支架2023/7/2672被动支护的发展——钢管混凝土支架2023/7/2673被动支护的发展——工字钢框式支架2023/7/2674被动支护的发展——门式支架2023/7/2675被动支护的发展——液压抬棚与36U棚2023/7/2676作用机理：充分利用围岩自身的承载能力随围岩变形，支护强度有一定程度的提高；锚杆锚固范围的整体移动，对围岩适当卸压。锚杆支护巷道第二阶段——主动支护

σ3σ3σ1σ1将锚固区域岩体作为锚固体，根据岩石的基本性质知道：岩石的三向抗压强度大于双向抗压强度，且随着围压的增加，岩石的强度提高。岩石σ1σ1σ3σ3锚杆－围岩相互作用应力分布与围岩强度的关系y应力分布(岩体弹模E=1105kPa)y应力分布(岩体弹模E=1103kPa)y应力分布(岩体弹模E=1104kPa)y应力分布(岩体弹模E=1106kPa)锚索支护——调动深部围岩强度适用范围围岩条件复杂锚索支护的难点塌方、冒顶锚索—深部围岩相互作用的数值模拟开采深度增加，地质条件复杂化，锚杆支护出现一些问题。巷道变形大，不能满足安全生产要求；锚杆支护构件破坏，发生冒顶、片帮事故。锚杆支护巷道大变形锚杆支护巷道冒顶锚杆、锚索支护存在的问题2023/7/2681围岩变形随时间而变化巷道支护效果差会导致：对于围岩巷道变形大，断面不能满足生产要求；发生冒顶、片帮，出现安全事故。对于支护体巷道大变形原巷道断面现巷道断面顶板下沉煤帮挤出1.5m支护体受力很小，随围岩一起位移；支护体破坏、失效。巷道锚杆支护存在问题分析锚杆与锚索体破断一、前言锚杆杆体尾部破断锚杆杆体中部破断锚索破断锚杆锚索附件（托板、螺母、垫圈）破坏一、前言托板破坏状态螺母螺纹破坏球形垫圈变形与破坏形态护表构件（钢带、金属网）破坏一、前言钢带拉断与撕裂金属网破坏顶板冒落原因与分类岩层组合劣化型岩层结构缺陷型应力主导型支护设计不合理型施工不良型支护材料不良型顶板垮落巷道锚杆支护存在的问题分析巷道支护效果差的原因对围岩地质条件及变化认识不清；支护设计不合理；支护材料质量不合格；施工质量不满足设计要求；矿压监测不及时，不能及早发现问题。巷道锚杆支护存在的问题分析

锚杆支护构件破坏的主要原因锚杆支护构件井下受力状态复杂

巷道表面凹凸不平及施工原因，井下锚杆与巷道表面不垂直，不处于理想拉伸状态，而是处于受拉、弯、扭、剪切的复合应力状态。施加预应力前施加预应力后锚杆锚索体材料：强度低；强度提高后冲击韧性及延伸率显著下降，易脆性断裂锚杆尾部脆性破断锚杆脆性破断断口

锚杆支护构件破坏的主要原因3mm放大放大锚杆螺纹不同放大倍数形态锚杆螺纹、构件加工精度低，加工损伤300μm

锚杆支护构件破坏的主要原因锚杆支护构件力学性能匹配性差钢带被托板切穿球形垫圈卡住杆体螺纹断裂

锚杆支护构件破坏的主要原因巷道锚杆支护技术的发展——锚杆-锚索协调支护技术锚杆、锚索同时起作用►锚杆——锚索协调支护：变形协调、延伸率协调►锚杆——围岩之间协调：锚杆变形与巷道围岩松动协调►锚索——围岩协调：锚索与围岩变形协调；锚索锚固端锚固在围岩未松动处提出了锚杆-锚索协调变形的支护方法►合理安排锚索的位置：顶板靠近巷帮1/3处。

►木垫板：增大锚索延伸率

►钢带、金属网：钢带实现锚杆、锚索预应力的有效扩散；金属网将锚杆之间非锚固岩层载荷传递给锚杆，各构件合理匹配锚杆—网—围岩相互作用数值模拟不协调支护下巷道围岩应力图协调支护下巷道围岩应力图不协调支护下巷道围岩变形图支护下巷道围岩变形图改善锚杆杆体材质，提高冲击韧性。提高锚杆杆体螺纹的加工质量，减小加工损伤。开发研制与锚杆螺纹强度、硬度相匹配的螺母，优化螺母材质、形状与尺寸，保证螺母符合技术要求。优化锚杆托板与球形垫圈尺寸并提高加工质量，改善杆尾受力状态。采用合理的锚固方式改善锚杆受力状况，充分发挥杆体的延伸率。锚杆锚索协调支护技术途径改善锚杆杆体材质超高强度锚杆钢材断裂的重要原因是冲击韧性差。需从炼钢开始，重新研究钢材配方、炼制与轧制工艺。在强度、延伸率不降低下，显著提高钢材的冲击韧性。试件编号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa断后延伸率/%冲击吸收功/J20-178562523.545.220-279063525.550.822-180565022.034.322-280565022.042.622-380064521.039.5锚杆锚索协调支护技术途径强力锚杆杆体开发高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆

牌号直径/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%冲击吸收功/JB500B600B70018-2550060070067078085018-2560-160锚杆锚索协调支护技术途径提高锚杆螺纹加工质量螺纹加工粗糙普遍存在。引进或研制高精度锚杆螺纹加工设备与工艺，可减少加工缺陷与损伤，大幅提高加工质量。研制与锚杆螺纹强度、硬度与加工精度相匹配的螺母，优化螺母材质、形状与尺寸。锚杆锚索协调支护技术途径锚索1×19结构锚索及断面公称直径/mm拉断载荷/kN伸长率()/%18