综掘机快速掘进施工工艺课题研究.docx

1、综掘机快速掘进施工工艺课题研究煤巷锚杆支护综掘机快速掘进施工工艺课题研究一、问题的提出随着煤炭市场需求的扩大，特别是采煤设备和采煤技术水平的提高，煤炭生产能力又一次大幅度提高，这使得煤矿的采掘接替关系也要求越来越严格和紧张，在目前的技术水平的限制下，为能够确保我矿实现正常采掘衔接关系，其唯一可行的办法就是要提高煤巷掘进综掘进尺，这样才能保证煤矿正常生产，达到预期的生产计划和目标，因此，有效的提高煤巷综掘进尺和掘进速度势在必行。二、我矿综掘工作面施工现状9月初，以综掘区二队为课题研究对象，对综掘二队施工的454外段沿空风巷进行现场跟班、统计每一施工循环进度工时消耗情况，其巷道支护参数为：锚梁网索

2、支护的斜矩形断面，巷道尺寸：净宽=3800mm，净高=2500mm。 顶部锚杆：202400mm螺纹钢等强锚杆。锚杆螺母拧紧力矩不少于200Nm，锚固力80KN。锚杆间排距：800800mm。 右帮锚杆：202400mm螺纹钢等强锚杆。锚杆螺母拧紧力矩不少于100Nm，锚固力60KN。锚杆间排距：700800mm。 左帮锚杆：202000mm螺纹钢等强锚杆。锚杆螺母拧紧力矩不少于100Nm，锚固力60KN。锚杆间排距：700800mm。 锚索：17.8mm钢绞线。间排距：20002400mm。 锚固剂：树脂药卷，规格为Z2350，顶部锚杆2卷，帮部1卷，锚索3卷。 顶板金属网：采用规格为420

3、01000mm的金属菱形网。 帮部塑料网：采用规格为25001100mm的塑料网。 托盘：规格为1401408mm-180KN的碟型托盘。钢带：顶部采用“M3”钢带，规格为36001603mm；帮部采用平钢带。顶板不稳定或破碎时，采用梯形架棚支护。 施工工艺： 综掘机割窑临时支护打锚杆眼安装锚杆挂网补打锚索成巷。 锚杆钻机2台，风煤钻2台。采用“三八”制循环作业方式，三班掘进支护组织生产并对机械设备进行维修保养。循环进尺1.6米，最大空顶1.9米，最小空顶0.3米。该掘进工作面平均月进尺在280m左右，其完成工程量在全矿各掘进队中处于前列，但较国内大部分煤巷综合机械化掘进施工单位来说，却显得有

4、点相形见绌了。这对实现我矿的稳产、高产和可持续发展带来了严重的挑战。因此，提高综掘进尺速度势在必行。三、研究分析每循环劳动组合时间，提出改进方案通过对22个生产班的实地统计得知平均循环进度为182.5min/1.6m。其中，割窑时间为53.5 min/1.6m，临时支护：13.5 min/1.6m，打顶部锚杆、挂网：70.9 min/1.6m，打帮部锚杆、挂网：120.9 min/1.6m，每班两个循环。虽然存在割煤、补后部锚杆、运料平行作业；综掘机割窑后，在施工顶锚杆的同时，自上而下由外向里施工两帮滞后的锚杆；打顶帮锚杆、延长皮带机尾、皮带机检修、机电设备检修、延长电缆、维护掘进机平行作业；

5、但是，其施工进度较为缓慢。主要表现在，打锚杆的时间较长，其中帮部锚杆施工时间占总时间的66%，而切割时间仅不到30%，随着巷道掘进距离的增加，后运距随之增长，人员运输物料时间较长，迎头压风及水压也无法保证二台锚杆机、一台风钻正常运转。综掘巷道施工顶部锚杆锚固力80KN，螺母拧紧力矩200Nm，存在预应力较小，支护刚度低，锚杆主动支护作用不能发挥，不能有效控制围岩早期离层与破坏，围岩强度与完整性丧失过大，导致顶板下沉、两帮鼓出。在深部复杂困难巷道，均出现不同程度的锚杆被拉断、剪断和弯曲断裂的现象，锚杆强度偏低，锚杆受力状态不佳，锚杆材质和结构有待进一步改进。锚杆虽然实现了加长与全长锚固，但只有锚

6、杆自由段能够施加预应力，不能实现全长预应力锚固，影响支护效果。组合构件（钢筋托梁、钢带）的强度、刚度、护表面积不够。在巷道变形量大的地段经常出现组合构件被剪断、压穿等现象，支护效果受到严重影响。由于锚杆、锚索强度和刚度偏低，不得不增加锚杆支护密度，严重影响巷道掘进速度。综掘巷道锚杆施工工具以便携式风动单体锚杆机和手持式风煤钻为主，但这种锚杆机的输出功率偏小，对井下风压要求较高，而井下压风管路长、风动工具多、顶板岩性复杂，导致施工过程耗时太长。而且，手持式风煤钻完全是依靠人力施工，劳动强度大，劳动效率低。此外，巷道过长、转运设备较多给系统出货、人工运料带来了不便，人员配置中后运工占较大的比重，这

7、些都严重制约了巷道的快速掘进。由此可知，采用先进的支护结构和支护技术，及时、迅速、有效地实现快速支护，并使支护与截割最大限度地平行作业，简化出货及运料系统，提高综掘机的开机率，才能大幅度提高掘进速度。（一）、提高综掘工作面支护技术及装备水平巷道支护技术是煤炭开采中的一项关键技术。安全、合理、有效的巷道支护是保证矿井实现高产高效的必要条件。而煤巷支护的特点是：支护服务年限较短；因围岩较松软，并且受采动影响，地压较大，因此要求支护具有较好的可缩性；要求原材料比较便宜，施工和维修比较容易。较金属支架支护而言，锚杆支护显著提高了巷道支护效果，降低了巷道支护成本，减轻了工人劳动强度；同时，锚杆支护简化了

8、采煤工作面端头支护和超前支护工艺，改善了作业环境，保证了安全生产，为采煤工作面的快速推进、实现高产高效创造了良好条件，因此锚杆支护技术已在我国高产高效矿井中得到了广泛应用。从薄及中厚煤层回采巷道，到综采放顶煤工作面沿煤层底板掘进的全煤巷道; 从顶板比较稳定的煤巷，到复合、破碎顶板巷道，从实体煤巷，到沿空掘巷，从小断面巷道到大断面开切眼，锚杆支护的使用范围越来越广。我国锚杆支护技术已形成了成套技术，包含：巷道围岩地质力学测试技术;锚杆支护动态信息设计;高强度锚杆支护资料、树脂锚固剂、M型钢带及其轧制技术、特种锚杆与锚索支护技术;锚杆支护施工机具;锚杆支护监测仪器与技术。 1.1 提高支护强度，减

9、小支护密度合理的选择锚杆、锚索预紧力，在锚杆及锚索支护中，只有提高安装时有足够的预紧力，才能达到减少围岩变形的效果，才能给所要支护的围岩提供较高的阻力，主动的使围岩的应力状态向三向应力状态转化。有一定的预紧力，可以提高围岩的径向约束能力和围岩的抗剪能力，使围岩尽可能的保持径向的连续性，可以有效的抑制巷道浅部破裂的煤体向巷道内移近。1、深部与复杂困难巷道围岩变形形式(1)弹塑性变形由于受到原始应力的作用，巷道开掘前围岩处于弹性压缩状态，开挖后原始应力平衡遭到破坏，一部分弹性能得以释放，围岩就会产生向开挖空间移进的弹性变形。巷道开挖后径向应力得到释放，切向应力产生应力集中，周边围岩应力往往会超过屈

10、服极限，围岩将逐步发生塑性变形。弹性变形主要发生在巷道掘进过程中，在变形总量中所占的比例不大。塑性变形由巷道的围岩应力水平与岩体强度相对关系决定。(2)岩层扩容引起的围岩变形岩石的扩容性与其性质及所受的应力偏量有很大关系。随着应力偏量增加，应力偏量体积应变关系由线性过渡为非线性。当应力偏量超过一定极限时，岩石就发生扩容现象。应力偏量继续增加，则扩容也随之加大。当岩石发生破坏之后，应力虽然降低，但体积变形一直在增大，直至残余强度。在高应力作用下，岩层扩容是引起巷道围岩变形的一个重要原因。 (3)结构面变形与离层在煤系地层中结构面是天然的力学弱面，巷道变形失稳首先从这些弱面开始，微观表现为弱面间的

11、滑动和张开，宏观上就表现为围岩的离层与位移。特别对于顶板岩层，当底面发生张开破坏、下沉后，各层之间逐渐失去力学联系，在岩层自重和水平力的挤压作用，离层将进一步扩大，导致顶板岩层失稳、垮落。大量的井下实测数据表明，结构面滑动、张开、离层，以及新裂纹的产生是顶板离层的主要部分，是巷道支护控制围岩变形的关键所在。2、高预应力、高强力一次支护理论（1）锚杆预应力在巷道支护中的作用分析： 1）控制围岩强度的降低消除锚杆构件的初始滑移量在围岩中产生附加锚固应力，改变开挖边界的约束性质当围压在01MPa范围内变化时，残余强度表现出对围压很强的敏感性，即围压稍微增大，残余强度增长很快。2）能够改善围岩的应力状

12、态并提高围岩承载能力 3）能够改善围岩体的变形性能 （2）提高锚杆预紧力的技术措施：1) 提高螺母预紧力矩采用专门的高扭矩螺母拧紧设备引进、开发锚杆台车和掘锚联合机组2) 减小预紧力与预紧力矩的转换系数k降低螺母与锚杆螺纹段间的摩擦系数（提高螺纹加工精度）减小螺母、垫圈端面间的摩擦系数（采用高效减摩垫片）（3）理论基础：1）锚杆作用控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容变形与破坏，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏，保持锚固区围岩完整性，减小强度降低。2）在锚固区形成刚度大的次生承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，改善围岩深部应力分布。3）锚杆预应力起决定性作用

13、，确定合理预应力是支护设计关键。高预应力要求锚杆具有高强度。4）预应力扩散更为重要。单根锚杆预应力作用范围有限，必须通过托板、钢带等构件将预应力扩散到离锚杆更远围岩中。钢带、金属网等构件在预应力支护系统中发挥极其重要的作用。5）深部及复杂困难巷道应采用高预应力强力锚杆支护，实现一次支护有效控制围岩变形，避免二次支护。（4）高强高预应力可变性让压锚杆的特点：强度高，预应力大；系统具有可变形让压功能；安装简单，速度快，安全可靠；组合梁效果好；适合于大采深，大变形，动压，沿空巷道小煤柱护巷支护。1.2 改进锚杆施工工具在锚杆支护技术中施工机具起着无比重要的作用，它直接影响锚杆施工质量和施工速度。锚杆

14、钻机按结构形式可分为单体式和钻车式两类，钻车式又分为履带式和胶轮式;按钻机破岩方式可分为旋转式、冲击式和冲击旋转式;按钻机动力形式可分为液压、电动及风动式。1、液压锚杆机便携式风动单体锚杆机作为一种“轻型工具”，在煤矿恶劣的工作条件下钻孔打眼，无论在结构强度、输出功率、机器效率、破岩能力和安全性能等方面，都存在不足。采用液压锚杆机，配套使用锚杆扭矩放大器，具有转速低，转矩大，噪声小，结构紧凑，重量轻，提携操作方便，能有效缩短支护时间，提高生产效率。2、掘锚机EBZ-160JZ由于综掘机与锚杆机必须交叉作业，给掘进工艺带来了不便。因此，通过将连综掘机与锚杆机两者合一，在综掘机上装锚杆机，用一台设

15、备来完成巷道掘进的落、装煤及锚杆打眼、安装功能来消除综掘机的不利因素，从而发展形成掘锚一体化快速掘进成巷技术。目前，参考资料得知，掘锚机组主要分2种：一种是以连续采煤机为基础的掘锚机组；另一种是悬臂式掘进机机载锚杆机的掘锚机。掘锚机组与综掘机作业相比具有掘锚平行作业、单巷快速掘进及顶板及时支护等优点。掘锚机组按作业方式划分可化为两类：一类是同时实现掘锚作业的掘锚机组，其作业方式是截煤和安装锚杆同时平行作业，即割煤滚筒连同装载运输机构整体向前推进割煤，与此同时，锚杆机则与履带主机架停在原位固定，锚杆钻机向顶板和侧帮打眼安装锚杆，随后，行走机构带着机体及锚杆机向前移动，完成一个掘进循环；另一类是先

16、截割后支护的掘锚机组。它实际上是综掘机与锚杆打眼、安装机复合的一体化设备，可以完成切割、装煤工序，又能够完成钻孔、安装锚杆等工序，因而可以进行掘进和支护的作业，从而减少了掘进工作面的设备和人员，掘进工作面的空顶距可以缩短到0.751.4m，并且采用了临时支护措施，使得掘进与支护作业更加简单和安全，可以适应不断变化的巷道顶板条件，掘进成巷速度也较快，还能适应巷道布置方式的变化。掘锚机组可节省移动和装钻机的时间，普遍认为掘锚机组之所以能被有效使用的一个重要原因在于顶板及时支护，安全可靠。通过对掘锚机组掘进系统进行选型和配套，形成高效掘锚一体化作业线，可使每一循环作业的时间减少2545min，即每3

17、0min一个循环，生产效率将大大提高。（二）、优化辅助运输设备1、拐弯皮带针对工作面巷道拐弯较多，设备和人员配置复杂，可采用可弯曲皮带输送机代替过去多台皮带输送机进行搭接的形式。可弯曲皮带输送机与普通皮带输送机相比，不仅可以减少皮带输送机的搭接，减少硐室的空间，减少驱动装置的投资等，而且还可以减少粉尘污染，降低初期投资与运转费用以及简化供电系统，提高经济效益。另外，可弯曲皮带输送机除弯道处的部分结构件外，其它重要部件如驱动装置、张紧装置、输送皮带等都可与普通皮带输送机通用，因而对于转弯输送采用可弯曲皮带输送机有更高的经济效益。它具有以下优点：（1）通过改进皮带中间驱动及拐弯装置，不仅可以实现皮

18、带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）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。（4）原皮带机安装转弯装置后，其各种输送参数特性不会改变，解决了频繁安撤皮带机致使其性能降低的难题，还节约了安撤时间。2、掘进机胶带转载机可伸缩双向胶带输送机机械化作业线煤巷施工中除了要求及时地将煤送出掘进工作面外，还需要将大量的材料、设备运往工作面。随着综采工作面走向长度的加大、单产增加、速度加快，用人工运料，时间长、劳动强度大，限制了掘进机效能的发挥。为了保证综掘作业线连续均衡地生产，必须解决机械化辅助运输问题，为此，可采用掘进机胶带转载机

19、可伸缩双向胶带输送机机械化作业线。这种机械化作业线可以实现长距离连续运输，并减少胶带伸长次数；生产能力大，基本上可满足掘进机快速掘进的要求。双向伸缩式胶带输送机是一种新型高效运输设备，它和普通胶带输送机的工作原理完全相同，都是以胶带作为牵引承载机构的连续运输设备。不同之处是在于结构上具有伸缩式和双向运输的显著特点。在上胶带由掘进工作面向外运煤的同时，利用下部空胶带向综掘工作面运送各种支护材料，而且底胶带可以实现定位自动装料和定点自动卸料，妥善解决了综掘工作面支护材料运输问题。特别是在单轨巷道作业空间窄小的条件下，可节省一套运料系统，大大减轻了工人的劳动强度，加快了巷道的掘进速度。（三）、设备管

20、理和人员培训1、加强设备的维修保养，保证设备的正常运转（1）加强设备管理是保证开机率的重要保证。坚持正常的设备维护和检修，严格执行班检、日检、旬检、月检制度，对综掘机、转载机、皮带机等设备进行强制检修，保证机械设备在完好状态下运行，从而保证快速掘进，不发生中断事故。（2）加强油脂管理，对变质油脂立即更换，定期清理油箱、过滤器和液压系统的污染物，油箱口应密封好，由专职机修人员每天清理掘进机卫生，定期对掘进机各部注油孔加油，以增加其润滑性。（3）对各种设备实行包机制管理，在月施工结束后，整体进行考核，根据事故的影响程度，在工资分配上给予适当的调整，事故影响最少司机、维修人员和事故影响多的司机、维修

21、人员的工资给予大差额的浮动。（4）专职机修人员每天要主动向司机及跟班维修工询问综掘机运行情况，有针对性的重点检修，消除事故隐患，将事故控制在萌芽状态。（5）建立完善的综掘机管理制度，掘进机司机和跟班维修工在生产结束后，认真填写设备日志，并将当班设备运转情况向接班司机交待清楚，存在问题共同处理，严禁设备带故障运行，以保证综掘机效能的发挥。2、加大对操作人员的安全技术培训力度（1）加大对司机及维修人员的安全技术培训力度，有针对性地对职工进行系统的、正规的、理论知识和基本技能的培训，特别是选派责任心强、有上进心的职工进行综掘机司机等特殊工种培训。（2）提高司机及维修人员现场操作技能及处理事故的能力，每周开展一次关于综掘机的专题培训，提高职工的素质。3、引入竞争激励机制 （1）班组实行定额单价公开民主、上墙公布。激励机制运作资金做到取之于工作量，同时全部用于完成工作量的分配支付上，做到人尽其能，能者多挣，形成比学赶超机制。 （2）所有工程项目的结算工资实行班组长自行分配。区队监督管理，做到民主、透明。材料员、办事员对班组当班工资做到日清日结，月底兑现。让员工干明白活、挣明白钱，提高广大员工工作积极性。四、工业试验因454外段沿空风巷已顺利贯通，下一步准备在459风巷做工业试验。