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： 锚梁网索支护的斜矩形断面，巷道尺寸：净宽=3800mm，净高=2500mm。 顶部锚杆：Φ20×2400mm螺纹钢等强锚杆。锚杆螺母拧紧力矩不少于200N·m，锚固力80KN。锚杆间排距：800×800mm。 右帮锚杆：Φ20×2400mm螺纹钢等强锚杆。锚杆螺母拧紧力矩不少于100N·m，锚固力60KN。锚杆间排距：700×800mm。 左帮锚杆：Φ20×2000mm螺纹钢等强锚杆。锚杆螺母拧紧力矩不少于100N·m，锚固力60KN。锚杆间排距：700×800mm。 锚索：Φ17.8mm钢绞线。间排距：2000×2400mm。 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4200×1000mm的金属菱形网。 帮部塑料网：采用规格为2500×1100mm的塑料网。 托盘：规格为140×140×8mm-180KN的碟型托盘。 钢带：顶部采用“M3”钢带，规格为3600×160×3mm；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；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200N·m，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0～1MPa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，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