专题-大断面硬岩巷道快速掘进技术.doc

1、专题部分17大断面硬岩巷道快速掘进技术摘要：岩石巷道施工在煤矿新井建设和生产矿井开拓工程中占有很重要的地位。但岩巷掘进在整体上表现为速度慢、工效低，影响了煤炭生产的合理接续，使新建井工期加长。基于此，本文分析了影响大断面硬岩巷道掘进速度的因素，并结合国内外岩巷掘进技术的发展状况。从大断面硬岩巷道实际掘进中存在的问题出发，分别从破岩、装岩、转运、支护和施工组织管理等五个方面，提出了相应的优化方式和改进措施，从而加快大断面硬岩巷道的掘进速度。关键词：硬岩；巷道；快速掘进；钻爆法；1 绪论1.1问题的提出与研究意义我国是一个以煤为主要能源的国家，在一次能源的总资源量中，煤炭资源约占90%，在一次能源

2、的生产和消费构成中，煤炭所占比例长期保持在75%左右，尽管20世纪90年代大力进行了能源结构的调整，2000年煤炭生产和消费在一次能源中所占比重仍分别达67.2%和67%。从我国拥有及可能利用的能源资源类别来看，以煤为主的能源格局长期内不会有根本的改变，煤矿开采的规模还会很大。因此，要保证国民经济和煤炭工业持续、稳定、健康发展，建设高产高效矿井，提高采掘机械水平，是我国煤矿发展的必由之路。综合机械化采煤在条件适宜时，具有高产高效、成本低、经济效益显著的特点。近年来，随着煤炭科学技术的发展，高产高效矿井数量大大增加，部分矿井经技术改造，通过进行综合机械化装备，矿井的年产量有了很大的提高。但是，巷

3、道施工仍是目前矿井建设中的薄弱环节1。岩石巷道施工在煤矿新井建设和生产矿井开拓工程中占有很重要的地位。在新井建设中，岩巷掘进工程量一般约占总工程量40%50%，施工工期占35%50%；在生产矿井中则占总工程量的25左右。但是，岩巷掘进平均月进度较低，装载机械化程度仅为84，平均工效仅为0.125m/工。大多数矿掘进速度低于煤炭工业矿井设计规范规定的指标。岩巷掘进在整体上表现为速度慢、工效低，影响了煤炭生产的合理接续，使新建井工期加长。此外，随着对能源需求量的增加和开采强度的不断加大，前部资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开采状态。我国煤矿开采深度以每年812m的速度增加，未来10年我国

4、煤矿深部开采的问题将越来越突出。深部岩体由于受到高地应力、特别是侧向高应力的作用，使其具有不同于浅部岩石的特征。深部高应力岩巷的岩石强度明显增加，岩体处于高压缩变形或破坏极限状态，爆破对围岩产生的破坏和扰动范围加大，甚至会引起岩爆灾害，使巷道围岩条件更为恶化； 同时为满足深部开采通风要求， 巷道断面又需不断加大。因此， 需进行大断面坚硬岩巷机械化快速掘进技术研究。针对我国大断面岩巷掘进工作面装备水平和单进水平较为落后的客观实际， 以实现大断面岩巷掘进的机械化作业线为切入点， 研究能适应深井大断面岩巷快速掘进的成套工艺与装备， 以加速煤矿建设、保持采掘平衡。同时， 研究成果对推动我国岩巷掘进的机

5、械化装备水平和深部开采整体技术水平，具有非常重要的指导意义和示范作用。1.2国内外硬岩巷道掘进技术研究现状1.2.1国内巷道掘进技术发展自新中国成立至今，煤炭基本建设的岩巷施工技术大体上经历了三个发展阶段2：第一阶段为20世纪50年代，掘进工作面沿用手把钎的原始操作方式；第二阶段为20世纪60年代至70年代初期，以气腿式凿岩机、临时金属支架、2.5t蓄电池电机车为代表的机械设备开始研制成功和推广使用；第三阶段为20世纪70年代后期至今，锚喷支护技术在岩巷得到了普遍应用，大大简化了巷道施工工艺，为岩巷快速施工创造了条件。20世纪50年代，岩巷施工基本上采用手持式凿岩机打眼、人工装岩、人力推车出矸

6、、木支架临时支护、料石砌碹永久支护，工人体力劳动强度极大，实现打眼、装岩的机械化是当时的主要目标。20世纪60年代，推广了气腿式风动凿岩机，铲斗后卸式装载机，降低了工人的体力劳动强度。但是，采用料石砌碹，永久支护难以实现机械化，转载调车及运输方式落后，成为限制提高施工速度的关键因素。20世纪70年代，气腿式风动凿岩机和耙斗式装载机或铲斗后卸式装载机为主的配套方式，创造了一批岩巷施工记录。20世纪70年代后期，岩巷施工水平得到了大幅度提高。钻、装、转、运、支各主要工序均有了性能比较可靠、使用灵活方便的施工设备，且有的形成了系列，并向着多样化方向发展；新型爆破器材的出现和性能的改善，以及中深孔光面

7、爆破的推广，极大地降低了支护作业的劳动强度，实现了支护机械化，缩短了支护工序的时间；综合工作队、一次成巷、正规循环作业、多工序平行交叉作业等行之有效的施工组织形式得到进一步完善和发展；辅助工序设备的研制和推广受到重视并取得成效。所有这些，均有效的提高了岩巷施工速度和工效，为岩巷施工机械化作业线的组织实施奠定了基础。我国通过引进吸收世界各国的先进设备和技术，大力发展机械化配套，通过多年的科研和施工实践，形成了多种形式的机械化作业线。目前，我国岩巷掘进仍主要采用钻眼爆破的方法破岩，而且在今后相当长的时期内仍然是主要方法。因此，进一步改进爆破器材的性能，提高爆破技术，提高施工设备的可靠性和生产能力，

8、提高设备的自动化程度，加强施工的科学管理，将是今后的主要任务。以钻爆法为主的岩巷机械化作业线，主要有两种：气腿式凿岩机配耙斗式或铲斗式装载机作业线和全液压钻车配侧卸式装载机作业线。第一种在我国应用较多，掘进速度一般为6070m/月。耙斗装岩机在我国煤矿装备超过万台，发挥着重要作用，是我国目前煤矿岩巷掘进中最常用的作业线。由于耙斗式装岩机已形成系列，可根据巷道断面大小选用并配以多台气腿式风动凿岩机，适当的转载调车设施与支护设备，不同的施工工艺和劳动组织形式，可以形成不同能力的掘进机械化作业线，满足施工要求。第二种大断面岩巷快速高效机械化综合配套作业线以CMJ17履带式全液压钻车配ZC-3履带式侧

9、卸装岩机为代表，在岩巷掘进中取得了较好的成绩，目前正在推广，其掘进速度一般可达到100m/月左右。该机械化配套作业线主要具有以下特点：凿岩和装岩速度快，单进和效率高。大断面岩巷钻凿70余个炮眼，液压钻车可在60min内完成，而气腿式凿岩机需200min；侧卸装岩机生产效率比普通耙斗装岩机提高2倍，凿岩速度和装岩生产率的提高，促进了单进的提高。劳动强度低，人员少，安全可靠。实现了大断面岩巷的全断面一次钻眼、一次定炮、一次起爆、一次支护的掘进技术，保证岩巷全断面支护的整体性，提高了支护质量。第三种施工方式重型悬臂式掘进机用于大断面岩巷的掘进在我国处于试验阶段，新集能源股份公司、新汶矿业集团、淮南矿

10、业集团及平顶山煤业集团公司等企业先后引进了德国WAV300、奥地利AHM105、英国MK3型重型悬臂式掘进机共4台。目前国内使用的掘进机截割岩石硬度仅为6080 MPa左右，在遇到断层多、地质条件复杂的岩层时，极易趴“窝”，掘进效率低下。AHM105型巷道掘进机是奥地利奥钢联公司的巷道掘进设备，已在美国、澳大利亚、南非等国使用。虽然全岩巷重型悬臂式掘进机在我国煤矿的应用还处于试验阶段，但代表了岩巷掘进技术的发展方向。此外，我国于1966年生产出第一台直径为3.4m的全断面岩石掘进机，在杭州人防工程中进行试验。20世纪70年代进入工业试验阶段，试制出SJ55等型号的掘进机。全断面岩石掘进机是当今

11、最先进的隧道掘进设备。其施工方法和钻眼爆破法相比，具有快速、优质、安全、经济、环保等突出优点。其中最大优点是快速，一般速率为常规钻爆法的4至10倍。1.2.2国外巷道掘进技术发展国外煤矿现代巷道掘进施工方法主要有钻爆法和综合机械化掘进法。岩巷掘进仍采用钻爆法，煤和半煤岩巷广泛采用掘进机，英国采用掘进机掘进煤和半煤岩巷的比例已达85%。综掘法是近二三十年间迅速发展起来的一种先进的巷道掘进技术。其主要设备是掘进机，它是一种集切割岩石、装载及转运岩渣、降尘等功能为一体的大型高效联合作业机械设备，能实现连续掘进，目前国际先进水平已实现自动控制及离机遥控操作10。50年代，国外已基本实现钻、装、支等工序

12、的单项机械化；60年代以后，主要是改进原有设备，组织平行作业，实现机械化配套作业线；进入70年代以来，自法国的Montabert推出世界第一台实用的液压凿岩机后，液压凿岩机得到迅速的发展与应用。瑞典Atlas Copco公司于80年代研制推出的三挡式液压凿岩机，因可改变输出冲击能，所以适用于在不同硬度的岩石巷道掘进中钻凿炮眼，从而得到世界各国的重视。目前，液压凿岩机新产品更新换代时间短，新产品、新型号不断涌现，产品性能向大扭矩、大冲击能和高频率方向发展。近年来，由于液压凿岩技术的大力发展，形成了钻、装、运、支等机械化配套作业线；法、英、德等相继开发出了一机多用的机组，简化了工作面的作业设备，缩

13、短了机械搬、调、运时间，提高了掘进工效和速度。美国采用内燃机钻车与铲运机（LHD）掘进岩巷，取得了良好效果，而且还开发出了微机控制的液压钻车。19世纪后半叶出现了全断面掘进机，至本世纪60年代这一技术已逐渐成熟。进入80年代后，全断面掘进机在国外已广泛用于各种隧道工程，尤其是大断面长距离硬岩隧道的掘进。据统计，仅美国、日本、瑞典等国家就已生产了420台全断面掘进机，累计完成隧道工程项目超过1012个，掘进总长度超过3680km。世界著名的英吉利海峡海底隧道就是用11台全断面掘进机完成的。国外全断面掘进机刀盘直径范围为210.5m，单刀推力超过220kN，可切割抗压强度达400MPa的岩石。全断

14、面掘进机作业线由主机与后配套设备组成。主机主要由截割盘、刀盘驱动系统、支撑和推进机构、机架、转载运输机、操作室等部分组成。全断面掘进机机重身长，切割功率大，迈步式推进机构及支撑机构可提供强大的推进力及水平支撑力，因而切割硬岩的能力强、生产效率高，适用于大断面圆形巷道一次成形，也可以先用刀盘直径较小的掘进机掘出一条导峒，再用扩孔掘进机或钻爆法扩大断面至工程要求的形状与尺寸。1.2.3我国掘进设备与国外存在的差距与国际先进水平相比，我国在用煤矿主要高效掘进设备的破岩能力、适应性及可靠性等方面还存在一定的差距。煤矿使用的高效掘进设备，如大功率重型掘进机、连续采煤机、掘锚机组、四臂锚杆钻车以及履带式全

15、液压钻车等几乎被国外厂商（或合资）所占领，连续采煤机基本被美国JOY公司所垄断，掘锚机组主要由奥地利奥钢联公司提供，四臂锚杆钻车由澳大利亚约翰芬蕾公司控制。我国煤及半煤岩巷掘进机最大截割功率为200kW与进口机型还有一定的差距，连续采煤机、掘锚机组国内正在处于研制阶段，连续采煤机2007年上半年将推出样机。国产重型掘进设备在设计制造、加工工艺、自动化技术和关键技术指标等方面同国际先进水平存在较大差距10。1）大功率重型悬臂式掘进机技术比较与差距目前我国悬臂式掘进机主要有煤科总院太原研究院研制的EBJ（Z）系列、佳木斯煤机厂生产的S系列、煤科总院上海研究院设计的EBJ系列等型掘进机。代表机型主要

16、有太原分院研制的EBJ-160、EBZ160TY和EBJ-120TP型掘进机，另外还有佳木斯煤机厂生产的S150、S200型掘进机。重型国产掘进机与国外先进设备的差距除总体性能参数偏低外，在基础研究方面也比较薄弱，适合我国煤矿地质条件的截割、装运及行走部载荷谱没有建立，没有完整的设计理论依据，计算机动态仿真等方面还处于空白；在元部件可靠性、控制技术、在截割方式、除尘系统等核心技术方面有较大差距，见表1-1。表1-1 大功率重型掘进机技术比较比较项目国外国内总体参数截割功率300kW，装机总功率555kW，机重120t，截割断面5.8m8.8m截割功率200kW，装机总功率290kW，机重60t，截割断面5.1m6.0m截割机构纵轴式、横轴式内伸缩截割机构纵轴式内伸缩截割机构截齿焊接工艺真空热处理，喷涂强化，截割硬度f =12真空热处理，截割硬度f =81