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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备及应用

2024-04-02




创新点
1)研发出钻锚一体化锚杆、泵注式锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统,形成了钻锚一体化锚杆支护技术与设备。将传统树脂锚固锚杆施工6道工序简化为1道连续工序,实现了锚杆自动化“一键打设。单根锚杆作业时间由原来56 min减少为 3 min,同时泵注锚固剂方式提高了锚杆锚固力和支护效果。
2)提出采用薄喷层替代金属网并起临时支护的思路。研发出快固化、高强度、高韧性的双液喷涂支护材料,抗拉强度超过9 MPa,伸长率超过100%,黏结强度高于3 MPa。研发出自动化喷涂施工装备,包括高精度喷涂机械臂、高比例精度泵送系统、高混合度喷枪及自动化控制系统。在煤矿井下高粉尘环境、凹凸不平围岩表面进行全覆盖喷涂,可有效控制冒顶与片帮。
3)研发出双目视觉巷道随掘变形动态监测系统,可实时监测距离掘进工作面 2.410.8 m内的顶板下沉量及两帮移近量,实现了随掘大粉尘、多干扰、低照度环境下的巷道表面位移实时监测与安全预警,为巷道支护参数优化提供了依据。
4)研制出钻锚一体化快速掘进成套装备,由钻锚体化掘锚一体机、钻锚一体化锚杆转载机和履带式自移机尾3套设备组成,集成了钻锚一体化支护系统、喷涂支护系统和巷道随掘变形动态监测系统 3项核心技术及设备。提出掘支锚运分区并行协同快速掘进模式与工艺,为煤巷快速掘进提供了有效途径。
5)基于曹家滩煤矿井下实测数据,首次得出煤巷快速掘进工作面围岩位移的时空演化特征:在时间上,巷道掘出23 h80%以上的围岩位移已经发生;在空间上,距离掘进工作面相当于2倍巷道宽度的位置,90%以上的围岩位移已经完成。

6)钻锚一体化快速掘进技术与装备在曹家滩煤矿特大断面煤巷得到成功应用,掘进速度与效率显著提高,具备了煤巷月掘进进尺 1 5002 000 m的能力。

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煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备及应用

作者康红普1, 2, 3 , 姜鹏飞1, 2, 3 , 王子越1, 2, 3 , 张小峰, 刘 畅1, 2, 3 , 罗 超1, 2, 3 , 韦尧中1, 2, 3 , 郭吉昌1, 2, 3 , 陈志良1, 2, 3 , 王 锐, 韩存地, 李发泉, 何宗科1, 2, 3 , 苏 超1, 2, 3
单位:1. 中煤科工开采研究院有限公司2. 天地科技股份有限公司3. 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室4. 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司5. 陕西陕煤曹家滩矿业有限公司
研究背景
 RESEARCH  BACKGROUND 

我国煤炭开采以井工开采为主巷道掘进是煤炭开采的先导和前提。随着采煤技术与装备水平的不断提升对掘进提出更高的要求。我国每年新掘巷道长度1.2 km80%以上是煤巷但煤巷平均掘进速度不足200 m/用人超70 掘进速度慢用人多智能化程度低造成采掘接替紧张。掘进效率低已 成为煤炭安全高效开采的主要制约因素。

煤巷掘进包括割煤运煤支护 (临时支护与永久支护)辅助运输及通风降尘等环节。煤巷掘进经历了人工钻爆法综合机械化掘进的发展历程。其中煤巷综合机械化掘进工艺主要包括基于悬臂式掘进机连续采煤机及掘锚一体化机组的3种工艺类型。世界各大煤机装备企业高等院校科研机构开展了大量煤巷快速掘进技术装备的研究与实践。 在煤巷掘进装备方面国外以德国戴尔曼矿业系统有限公司 (DHMS)日本三井三池公司等为代表, 发展了基于悬臂式掘进机的掘进装备实现了掘进、 锚杆钻装临时支护一体化。以美国久益环球公司 (JOY) CM系列连续采煤机为代表的连采快速掘进设 备应用于双巷与多巷掘进作业以瑞典山特维克公司 (SANDVIK) MB670、 JOY公司12ED30 为 代表的掘锚一体化机组掘进效率高在国内外煤矿得到广泛应用。我国煤矿地质条件复杂多变经过数十年的发展形成了适应不同地质条件的煤巷掘进设备。以中国煤炭科工集团太原研究院有限公司三一重工股份有限公司等为代表的煤机装备制造企业研发出EBZEBH系列悬臂式掘进机并配合单体锚杆钻机实现了复杂条件巷道机械化掘进与人工辅助支护。 针对陕北鄂尔多斯等条件较好的矿区多采用连采机或掘锚一体机进行掘进。中国煤炭科工集团太原 研究院有限公司于2003年率先开展掘锚一体机研制逐步研发形成掘锚一体机锚杆转载机跨骑式锚杆钻车和柔性连续运输系统等系列装备构建了掘进支护运输除尘等巷道掘进连续作业线并在凉水井、 黄陵等煤矿成功应用2015 年以来中国铁建重工集团股份有限公司西安煤矿机械有限公司三一重工股份有限公司等开展了掘锚一体机的研制和应用推动了快速掘进装备的国产化。

支护包括临时支护与永久支护。临时支护主要有前探梁支柱加横梁机载临时支护装置和交叉迈步式自移支架等形式。永久支护主要是锚杆与锚索支护目前锚杆主要采用预应力高强度树脂锚固螺纹钢锚杆锚索为预应力树脂锚固钢绞线锚索。锚杆施工过程包括钻孔卸钻杆安装锚固剂安装锚杆搅拌锚固剂及预紧6道工序工艺繁琐是巷道掘进用人最多用时最长的环节。为了解决锚杆自动化安装的问题美国Fletcher公司瑞典 Sandvik公司研发出锚固剂气动推送技术但推送存在卡堵问题;澳大利亚DSI公司为简化锚杆施工工艺研发出一步式锚杆 (One Step Bolt)将锚固剂内置于自钻中空锚杆中但成本过高未得到推广;瑞典Epiroc公司研发出两步式自钻中空锚杆 (Two Step Bolt)但施工装备体积大作业用时长未得到推广应用。金属网是锚杆支护系统中的重要构件但金属网的铺设主要依赖人工作业难以实现自动化。瑞典Epiroc公司针对岩土隧道研发了自动铺网技术但由于煤矿巷道断面小设备集中难以应用。在国内中国煤炭科工集团太原研究院有限公司廊坊景隆重工机械有限公司研制出基于传统支护工艺的锚杆自动安装台车实现了钻孔安装锚固剂安装锚杆搅拌及预紧的半自动作业但没有改变锚杆施工工艺支护时间仍较长抗干扰能力较差

掘进与支护装备工况及矿压监测是巷道安全快速掘进的保障。德国PSIRUHR公司澳大利亚联邦科学与工业研究组织 (CSIRO) 等构建了煤矿掘进实时监测与数据管理系统实现了对掘进流程的精细化管控。波兰 CTT EMAG公司研发出性能比较优越的矿压监测系统但采用接触式钻孔测量无法在掘进工作面随掘动态测量。我国多个研究单位构建的掘进信息化管控系统以数据实时监控为主多源监测数据与装备运维的深层次价值挖掘不足难以满足煤巷掘进装备安全预警与智能运维的实际需求。现有矿压监测系统也存在间隔性布置非连续性观测掘进工作面无法布设的问题难以满足随掘矿压动态监测需求煤巷掘进速度与效率除与上述的掘进设备支护形式及监控技术等有关外很大程度上取决于煤巷的地质条件掘进工作面围岩稳定性是影响巷道快速掘 进的重要因素。国内外在岩石分类方面已经做了大量工作。国外有南非CSIR岩体地质力学分类 (RMR)挪威 NGI岩体质量分类(Q)加拿大岩 体地质强度指标 (GSI)采矿岩体地质力学分类(MRMR)美国煤矿顶板分类(CMRR)及德国硬煤煤矿岩体分类等方法其中后2个是专为煤矿开发的。国内制订了中华人民共和国国家标准工程岩体分级标准(BQ)提出缓倾斜、 倾斜中厚煤层回 采巷道围岩稳定性分类。中煤科工开采研究院有限公司对掘进工作面围岩稳定性进行了分类初步提出了不同掘进工作面围岩条件下支护时机与方式。中国矿业大学中国矿业大学 (北京等单位也开展了围岩稳定性与支护相互作用关系研究提出了多种巷道稳定性控制理论模型与方法。上述研究工作为煤巷掘进围岩稳定性分析提供了基础。

巷道断面形状与尺寸也是影响掘进速度的一个重要因素。煤巷特别是回采巷道断面形状一般为矩形倒梯形等平顶形状。随着煤炭开采强度的提高和 装备的大型化对巷道掘进断面尺寸的需求也越来越大。晋陕蒙等煤炭主产区千万吨矿井巷道断面积很多超过20 m2部分巷道断面尺寸超过30 m2对巷道截割支护都提出更高的要求。

笔者以陕西陕煤曹家滩矿特厚煤煤层特大断面回采巷道为工程背景以突破用人最多用时最长的锚杆支护技术实现快速掘进为目标研发钻锚一体化锚杆支护与喷涂护表等新型支护技术材料与设备;开发巷道随掘变形动态监测技术为掘进过程中围岩的稳定性提供数据支撑;研制特大断面煤巷钻锚一体化快速掘进成套装备。在曹家滩煤矿10 m超大采高综采工作面特大断面回采巷道中进行试验在地质力学参数测试基础上揭示掘进工作面围岩变形演化规律提出巷道掘进支护工艺参数并进行井下施工与效果评价。

摘要
 ABSTRACT

分析煤巷掘进技术与装备现状及存在的问题,介绍研发的钻锚一体化快速掘进新模式、新技术、新装备及井下应用效果。研发出钻锚一体化锚杆支护技术与设备,包括钻锚一体化锚杆、泵注式锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统,将传统树脂锚固锚杆安装6道工序简化为1道连续工序,实现了锚杆自动化“一键”打设,单根锚杆作业时间由原来5~6 min减少为3 min。研发出自动化喷涂支护技术与装备,包括高强、速凝、抗变形喷涂护表材料,抗拉强度超过9 MPa,断裂伸长率超过100%,黏结强度高于3 MPa;研发出6自由度喷涂系统,可实现随掘自动化快速喷涂作业。研发出巷道随掘变形动态监测技术与系统,实现随掘大粉尘、多干扰、低照度环境下的巷道表面变形监测,监测精度能够满足围岩稳定性评价要求。

提出煤巷掘支锚运分区并行协同快速掘进新模式,研制出钻锚一体化快速掘进成套装备。对试验矿井陕西陕煤曹家滩煤矿回采巷道掘进过程中围岩位移和稳定性进行了监测,在时间上,巷道掘出2~3 h后80%以上的围岩位移已经发生;在空间上,距离掘进工作面相当于2倍巷道宽度的位置,90%以上的围岩位移已经完成。快速掘进引起的巷道围岩位移在很短时间内就基本完成,要求支护必须及时且快速。在曹家滩煤矿10 m超大采高综采工作面特大断面回采巷道完成近6000 m的巷道掘进工程,打设钻锚一体化锚杆60000余根。锚杆施工时间、支护用工人数及作业人员劳动强度大幅降低,掘进速度、效率及自动化水平显著提高。试验巷道顶板位移量小、完整稳定,支护效果良好。煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备井下试验取得成功,具备了特大断面煤巷月掘进进尺1500~2000 m的能力。

部分图片





 1    不同锚杆施工工艺对比


 2    钻锚一体化锚杆结构


 3    钻锚一体化锚杆工艺流程


 4    钻锚一体化锚杆杆体与配套托盘力学特性


 5    泵注式锚固剂


 6    钻锚一体化锚杆锚固剖面


 7    钻锚一体化锚杆施工装备


 8    自动化锚杆施工控制系统


 9    掘进工作面喷涂护表支护示意


 10    喷涂材料分子设计


 11    喷涂材料黏结强度测试


 12    喷涂材料承载力试验


 13    喷涂机械臂及轨迹规划


 14    巷道煤帮喷涂对比试验


 15    钻锚喷一体化掘锚机组


 16    基于双目视觉的巷道随掘变形动态监测方法


 17    随掘变形监测系统程序流程


 18    双目视觉测量原理


 19    随掘变形监测双目相机


 20    随掘变形动态监测井下应用


 21    随掘变形动态监测井下实测误差


 22    随掘变形动态监测远程集控界面


 23    钻锚一体化快速掘进成套装备


 24    掘进工作面连续运输系统


 25    掘支锚运分区并行协同快速掘进模式


 26    2-2 煤层顶底板岩层柱状


 27    曹家滩煤矿 12 盘区工作面布置平面示意


 28    地质力学参数测站布置


 29    巷道顶板窥视结果


 30    掘进工作面声波多点位移计监测方案


 31    掘进过程中顶板多点位移变化曲线


 32    掘进期间煤柱帮多点位移变化曲线


 33    掘进期间实体煤帮多点位移变化曲线


 34    试验巷道锚杆与锚索支护布置


 35    正规作业循环时序表


 36    122104 内回风巷矿压监测测站布置


 37    掘进期间顶板不同深度岩层位移量


 38    锚杆与锚索受力曲线



作者简介


康红普,男,196511月生,山西五台人,中国工程院院士,研究员,博士生导师,中国煤炭科工集团有限公司科学技术委员会主任、首席科学家,煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室主任,中煤科工开采研究院有限公司党委书记、董事长。主持和参与国家科研项目 14 项,煤炭行业项目 40 余项。获国家科技进步一等奖1项,二等奖3项,国家技术发明二等奖1项。获国家发明专利60余件,发表学术论文200余篇,出版专著5部。获光华工程科技奖青年奖、孙越崎科技教育基金能源大奖、中国青年科技奖等奖励,被授予全国杰出专业技术人才、全国劳动模范等荣誉称号,入选国家高层次人才特殊支持计划领军人才。2015年当选中国工程院院士。

研究方向

巷道支护理论与技术

主要成果

研发出煤矿井下煤岩体地质力学原位快速测试方法与仪器,研究了煤矿井下地质力学参数和地应力场分布规律,为矿井开拓、巷道布置及巷道支护设计提供了可靠的基础参数;发明了系列锚杆支护力学性能测试装置与平台,揭示出锚杆变形与破坏特征;提出预应力锚杆支护理论和动态信息设计法;开发出高强度、高刚度锚杆与锚索支护材料,形成煤矿巷道锚杆支护成套技术体系。针对深部高应力巷道围岩控制,提出巷道围岩支护―改性―卸压协同控制理论,开发出高预应力、高强度、高延伸率、高冲击韧性锚杆与锚索支护技术,高压劈裂注浆围岩改性技术,水力压裂卸压技术,为深部巷道围岩控制提供了有效途径。研究成果已推广应用于我国煤矿 40 多个矿区,取得了显著经济社会效益,推动了我国煤矿巷道支护技术的改革与发展。提升了巷道围岩控制理论与技术水平。近年来,针对我国煤巷快速掘进的难题,研发出新型钻锚一体化锚杆、巷道表面喷涂材料及围岩变形实时监测技术,形成了钻锚一体化快速支护关键套技术与装备,显著提高了煤巷掘进速度和效率,有力的推动了我国煤巷快速掘进与支护技术装备的发展。




来源:

康红普姜鹏飞王子越煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备及应用[J]. 煤炭学报202449(1):131−151.


编辑:赵泽维
审核:张晓宁

  责任编辑:宫在芹
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