煤巷高效掘进与围岩安全控制现状与展望

1煤巷高效掘进技术体系中国矿业大学矿业工程学院2019年10月2提纲一、煤巷掘进的现状与问题二、高效掘进的概念与目标三、高效掘进的核心技术四、高效掘进的保障体系五、结论与趋势3一、煤巷掘进的现状与问题41.1调研情况序号矿井名称地质构造水文条件掘进设备掘进方式掘进断面平均/最大月进尺（m）进尺波动系数影响掘进因素1纳林河二号井中等中等12CM15-10D型连采机单巷5.4×4.0432/4701.09煤质较脆，易片帮，顶板淋水较大双巷5.8×3.8558/6601.182葫芦素矿简单复杂EBZ-200单巷5.4×2.95241/3901.62淋水大，易片帮，受政策原因停工较多MB6705.4×3.95574/7701.343姚桥矿复杂中等EBZ-160单巷4.0×2.8220/3001.36地质条件复杂，工人老龄化，熟练工缺失4孔庄矿复杂中等EBZ160单巷4.4×2.6210/3501.67老塘水，地质条件复杂，熟练工缺失，搬家频繁5平朔井工一号矿简单中等EBZ－200单巷5.2×3.4290/5431.87“有掘必探”政策影响，地质条件、小窑影响等6平朔井工三号矿中等/复杂中等EBZ－200单巷5.2×3.4209/5462.61水文地质，“有掘必探”政策影响，熟练工缺失7南阳坡矿简单中等EBZ－200A单巷4.3×3.3220/3001.36“有掘必探”政策影响8唐山沟矿简单简单EBZ－135单巷4.2×2.4400地质条件、工人熟练程度51.2煤巷掘进的现状（1）煤巷掘进是煤矿高效开采的短板采和掘是煤矿井工开采的两大主要工序。2013年煤炭行业指标国有重点煤矿产量采煤工作面平均单产最大单产13.05亿吨1564个83.43万吨1200万吨开采工序经过40余年的高速发展，已经基本实现了现代化和机械化；掘进工序仅实现了破煤、装煤和运煤的机械化，支护工艺仍靠人海战术。62014年全国煤巷累计进尺达13545km，是地球直径的2倍多，是城市轨道交通（地铁+轻轨）总里程的4倍多。12756.28km1.2煤巷掘进的现状（2）煤巷掘进工作面年总进尺量大7掘进机组掘进机+单体锚杆钻机/锚杆台车掘锚分离；循环进尺0.8~2.0m连采机组连采机+锚杆台车双巷掘进，两套设备交叉换位方式平行作业掘锚机组掘锚机掘与支有机结合，节省设备的换位作业时间，在同一台设备上完成掘进和支护工艺。盾构机组全断面掘进机集斜井施工开挖、衬砌、出渣、运输、通风、排水等功能于一身，是成套的斜井施工装备。掘锚机组在当今世界上代表高效掘进设备的最高技术水平！1.2煤巷掘进的现状（3）当前我国有四种煤巷掘进方式80100020003000400050006000采煤工作面数量掘进工作面数量2013年，原国有重点煤矿共完成进尺998km，掘进工作面数量5021个，是采煤工作面数量的3.21倍，煤巷平均月进尺仅189.12m，远低于采煤工作面推进速度。2013年采煤工作面与掘进工作面数量对比1.2煤巷掘进的现状（4）掘进工作面数量多，单进水平低9掘进工年龄分布21~25岁26~30岁31~35岁36~40岁41~45岁46~50岁51~55岁井下人员中掘进工比例为35%~5掘进工种占井下人员的35%~50%，工效极低。受待遇和作业环境的影响，20~35岁熟练工种奇缺，且这一年龄段目前主要为煤矿子弟、大学生和外包队伍，煤矿子弟、大学生身体素质不强，外包队人员流动频繁，熟练工流失严重。1.2煤巷掘进的现状（5）掘进工效低、熟练工流失严重10掘进装备有掘进机、连采机、掘锚机、盾构机和钻车机组等5种形式，但以掘进机+单体锚杆钻机相结合的普通综掘占比达到90%以上，而机械化程度更高的配套装备所占比例不足10%。连采机单体锚杆钻机掘进机盾构机[CATEGORYNAME][CATEGORYNAME][CATEGORYNAME][CATEGORYNAME][CATEGORYNAME]掘进装备使用比例掘锚机钻车机1.2煤巷掘进的现状（6）掘进工艺装备总体水平落后，机械化程度低。11煤巷顶板事故频发，事故起数占到煤矿巷道整体事故的50%，死亡人数占到1/3。由于巷道是煤矿生产的基本空间，受巷道矿压规律和围岩控制机理研究及施工速度等多重因素影响，巷道顶板安全控制成为目前煤矿安全生产的重大技术难题。煤矿各类事故起数分布（2012）1.2煤巷掘进的现状（7）巷道支护效果差，顶板事故频发12（1）地质因素为突出制约因素，相关保障性措施对掘进影响大图为涡北煤矿2013工作面采掘工程平面图，断层等地质异常频度很大，煤矿井工开采地质相对复杂，每百米断层及构造破碎带达到35条，影响巷道的快速掘进。1.3煤巷掘进的问题13保障性措施影响“有掘必探”影响：“小班探眼”影响：山西省防治水规定要求“有掘必探、先探后掘”，地方监管要求“停头钻探”，掘进队组月均需进行迎头打钻2次，每次影响时间平均2天，影响掘进进尺40m/月。根据探放水标准，掘进队每个小班施工小班探眼正常区域6个，异常区域8个，每个小班平均用时50分钟，每日影响2.5小时，月度影响65小时，施工小班探眼月度预计影响进尺40m/月。1.3煤巷掘进的问题14（2）掘进装备过于追求单一性能，组合功能不具备掘进装备的单一性能指标不高，总体能力不具备，且设备性价比低。012345割运支护成本综掘机改进型综掘机连采机掘锚机1.3煤巷掘进的问题15（3）现代巷道矿压机理研究不清，未掌握空顶区矿压显现规律快速掘进巷道的矿压机理尚不清楚，所掌握的矿压规律对快速掘进的指导性不明确。1.3煤巷掘进的问题不清楚不明确应对顶板的空顶力学效应进行科学分析、评价，制订理性的最优空顶距离及循环方式。0255075100125150175200051015202530变形速度/mm·d-1距工作面距离/m两帮顶底快速掘进矿压机理16（4）煤巷掘进的定位评价指标单一科学的掘进评价体系应是基于地质条件综合评价的、基于装备的协调配套的、基于安全保障的、基于工艺过程和劳动组织科学管理的技术体系。评价体系地质条件支护安全工艺组织装备煤巷掘进是一项涉及到多学科交叉、多技术融合的复杂系统工程，多数矿井过多地强调提升装备来单一地追求进尺。1.3煤巷掘进的问题17（5）顶板安全监测保障手段不够传统的离层仪人工读数，效果差监测的方式应有单一的、机械式的“点”转化成连续的、智能的“线”，最终要形成实时的、在线的全面反映巷道顶板稳定规律的监测体系。在线式监测系统价格昂贵，可推广性差1.3煤巷掘进的问题18二、高效掘进的概念与目标19采煤工艺炮采在长壁工作面用爆破方法落煤、爆破及人工装煤、输送机运煤和单体支柱支护的采煤工艺系统普采在长壁工作面用机械方法破煤和装煤、输送机运煤和单体支柱支护顶板的采煤工艺综采在长壁工作面用机械方法破煤和装煤、输送机运煤和液压支架支护顶板的采煤工艺现代化综采无人化、自动化工作面采、掘工艺发展过程对照掘进工艺炮掘在掘进工作面用爆破方法落煤、爆破及人工装煤、输送机运煤和单体支柱支护的掘进工艺普掘在掘进工作面用机械方法破煤和装煤、输送机运煤和单体锚杆钻机支护顶板的掘进工艺综掘在掘进工作面用机械方法破煤和装煤、输送机运煤和锚杆钻车支护顶板的掘进工艺高效掘进无人化、自动化工作面目前我国处于综采和普掘阶段，掘进落后采煤一代！2.1高效掘进的概念20快速掘进：是通过提升当前的掘进装备操控水平，优化围岩控制方案和加强施工劳动组织，提升巷道的单进水平。高效掘进：主要工序的全机械化和连续程度，统筹地质条件、装备水平、管理水平、技术水平和系统能力在科学理性下的快速掘进。支护效能：单位时间内做的工作，包括开机率（不过分强调功率）、掘、支、运等辅助性工序的效率和功效。地质异常度：掘进过程中每百米遇到的影响施工的地质构造（断层、破碎带、陷落柱、褶曲等）所占比例，k1。矿压烈度：掘进过程中受矿压扰动掘进工作进行的难易程度，k2。2.1高效掘进的概念21按高效掘进的概念及五大原则对各矿井初步评价，满分为5分序号矿井名称分类科学性装备协调性工艺组织合理性安全可靠性整体经济性总计1纳林河二号井34324162葫芦素矿43334173姚桥矿32342144孔庄矿32332135平朔井工一号矿42343166平朔井工三号矿32343157南阳坡矿42243158唐山沟矿33433162.2高效掘进的初步评价22神华进尺3088m/月、158m/天是高效掘进么？1、巷道长度6000m，准备、设备安装、调试、拆除工序耗时数月，2个月掘完整条巷道，整体速度依然不高！2、按每分钟割煤0.3m最大能力计算，各工序平行作业程度仍不高，目前纪录3088m/月提升空间依旧很大！3、设备对地质条件要求较高，可推广性不强！2015年2月26日，世界首台全断面高效快速掘进系统掘进进尺在神东集团创下158m/天的新纪录，但按割煤速度能够达到每分钟0.3m来算，高效掘进的提升仍有较大潜力。评价：2.2高效掘进的初步评价23阶段目标在“十三五”期间，立足于现有装备及技术条件下，通过优化施工工艺、调整支护参数，实现煤巷掘进速度同比提高20%。2.3高效掘进的总体目标五大原则分类科学性安全可靠性整体经济性工艺组织合理性装备协调性长远目标根据五大原则，结合我国的具体国情，考虑煤矿的具体条件，制定科学合理的计划，最终实现高效掘进。24巷道掘进从来都是为采煤服务的，随着采煤方式的转变，煤巷掘进或许会发生很大的变化。未来10年，煤巷掘进水平逐步提高，逐渐向“高效掘进”转变。未来30年，煤巷掘进全面实现“高效掘进”，掘进速度匹配采煤速度。2025年2065年………计算机自动化矿井无人掘巷地下气化化学采煤无需掘巷生物采煤2.2高效掘进的总体目标25（1）智能化：智能探测、智能导航和智能控制智能探测随钻探测：在锚杆钻机上安装传感器及存储系统，采用传感器自记自储式分析软件，一边打钻，一边分析岩性。智能导航利用先进的光电、计算机和导航技术对掘进设备和围岩进行自动定位，以实现安全监控和精确掘进。根据掘进条件变化自动调控掘进过程，甚至调整支护方案和参数，使智能化掘进设备与自动调度决策集为一体。智能控制2.4高效掘进的七个具体目标26（2）自动化：从钻探到围岩性质分析，从掘进到支护，掘进系统中的设备自动完成检测、信息处理、分析判断、操纵控制，最终实现掘进头无人或少人的目标。快速掘进设备支护头车支护后车转运皮带系统自动化设备之间高效配合，形成掘进的流水线式作业掘进工作面各设备自动化工作2.4高效掘进的七个具体目标27（3）机械化：使用现代化机械完成掘进的破、装、运、支工序，达到加快掘进速度和降低工人劳动强度的目的。机械化设备机动、灵活设备一体化、大型化高可靠性设备地质条件复杂地质条件简单2.4高效掘进的七个具体目标28（4）信息化：电子探头和各类传感器对掘进头的设备运转状况和地质信息进行采集、传输至管理中心，供中心人员进行实时监控、决策。信息化将会为决策提供可靠依据，大幅减轻人员劳动强度，为掘进迎头无人化创造条件2.4高效掘进的七个具体目标29（5）系列化我国煤炭资源煤层赋存条件千差万别，掘进设备的机型设计在突出重点的前提下，还必须坚持多元化、系列化原则，才能更好地满足市场需求。（6）模块化整机采用模块化适应不同条件和要求，配件标准化利于检修更换。（7）节约化考虑经济因素，合理优化材料配置，用最少的钢铁，实现最大的能力和最好的效果。2.4高效掘进的七个具体目标30三、高效掘进的核心技术313.1空顶自稳规律1）顶板受力模型巷道顶板力学模型巷道顶板岩梁的力学模型建立巷道顶板的岩梁或岩板模型，通过深入的力学分析，完成顶板稳定性评价。32正应力切向应力周边切向应力2）掘进迎头应力分布与端头效应巷道断面掘进过程中存在着端头效应，端头效应的影响区域大约在距掘进头后8m范围内，强烈影响区域约在距掘进头2.5m范围内。3.1空顶自稳规律33在煤体中开掘巷道后，巷道顶板岩体所处的应力状态由三向压缩平衡状态转变为双向压缩，岩石强度大大减弱。顶板岩石在第三方向上出现拉应力，