井巷掘进新技术新装备及工艺

1、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

2、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。,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,2.1 综掘机快速掘进技术,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； 掘进与支护工序交替协调作业； 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。,+,掘进机配两臂式锚杆钻车支护,技术特点,2.

3、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。,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

4、：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： 适用于煤层赋存稳定的近水平中厚煤层； 要求顶板为一般稳定顶板； 底板要求稳固、平整、无积水； 每隔6080m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： 适应赋存稳定的中厚煤层，中等稳定顶板； 适应煤

5、层倾角在12度以下，局部坡度不超过16度； 每隔6080m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： 支护与掘进交替作业，顶板支护机械化，劳动强度低； 需要设计调机硐室（可兼作探放水硐室）； 巷道月进尺500600m。,2.2 连续采煤机快速掘进技术,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

6、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15002000m，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

7、度； （3）适应巷道断面宽度5.46.0m，高度3.54.5m。,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。,2.3 掘锚一体机快速掘进技术,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。,2.3 掘锚一体机快速掘进技术,变频

8、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。,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

9、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,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

10、（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 30160 Mpa。,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

11、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,（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

12、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

13、，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

14、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

15、,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,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,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

16、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,2020/7/9,55,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,巷道围岩支护特性曲线,第一阶段被动支护,被动支护存在的主要问题,支护结

17、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,2020/7/9,57,第一阶段被动支护,巷道两帮、底板应力转移示意图,工字钢支架,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,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,2）圆形支架,圆形可缩性支架 a4节式b5节式,被动支护的发展U型钢封闭型可缩性支架,圆形

18、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,3） 方（长）环形支架,方（长）环形可缩性支架 a方环形b长环形,加高圆形支架,特种封闭型支架,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）,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,方环形、圆形支架承载能力对比,方（长）环形支架的发展,金属巷道支架选型,被动支护的发展钢管混凝土支架,被动支护的发展钢管混凝土支架,被动支护的发展工字钢框式支架,被动支护的发展门式支架,被动支护的发展液压抬棚与36U棚,2020/7/9,76,作

19、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,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,1,1,3,3,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

20、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,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,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,

21、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

22、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,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,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

23、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

24、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。,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,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,119结构锚索及断面,119结构，断面更加合理 拉断载荷显著提高，最大900kN 延伸率提高1倍,锚杆锚索协调支护技术途径,开发新型锚杆托板与垫圈 托板与球垫球面配合，回转中心位于钢带与托板接触面之外。