井巷掘进新技术新装备及工艺

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③综掘机配两臂式锚杆钻车支护④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。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2020/3/451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2020/3/452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2020/3/455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