综合机械化掘进工艺及支护

综合机械化掘进工艺及支护第1页/共53页掘进工艺掘进工艺是指岩土(煤岩）掘进工程中所采用的各种不同工序和达到所要求的技术水平。综合机械化掘进施工工艺流程

主要包括破岩、装岩、运输、支护方式。设备配套综合机械化掘进工作面由掘进机、转载机和运输设备完成落、装、转、运作业。完整的综合机械化掘进作业线，配套的主要设备包括：掘进机、转载机、运输设备、锚杆机（打眼设备）、激光指向仪、瓦斯断电仪、除尘设备（除尘风机）、辅助运输设备和电气系统等等。第2页/共53页§1

掘进工艺方式定义：

用机械化方法破岩、装岩、输送机运输和综合支护顶板的掘进工艺。

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掘进工艺方式

1、掘进方式

采用EBH－120型悬臂式掘进机一台，搭配QZP—160型转载机，SDJ—80型皮带运输机组成综合机械化掘进，激光仪控制中线进行施工。

2、EBH—120型掘进机概述

1）EBH—120型掘进机是由淮南煤矿机械厂设计制造的一种横轴式掘进机，主要为了适应薄煤层综合机械化巷道掘进的需要而设计的，适应巷道断面5.6—18平方米，可经济切割单项抗压强度≤60MP的煤岩，纵向最大工作坡度为18°。第4页/共53页§1

掘进工艺方式

2）型号意义如下：

E—掘进机B—悬臂式H—横轴式

120—切割电机功率（kw)3）EBH—120型掘进机主要由截割部、转台、装运部、行走机构、机架、液压系统、喷雾系统、电气系统等部件组成。

第5页/共53页EBH—120型掘进机技术参数：第6页/共53页

主要部件技术原理：

1）切割部主要由切割头、切割减速器、电动机等组成。切割头为横轴式，每个切割头上各有48个镐形截齿，切割减速器为锥形轮付、圆柱齿轮付组成的三级齿轮减速器。切割电机是120kw隔爆水冷式电动机。

2）装运部是由铲板及左右装载减速器、蟹型耙爪及刮板输送机组成。

3）行走机构是电机驱动履带行走的装置。主要有履带架、行走减速器、电机、履带涨紧装置等组成。第7页/共53页4）转台前方有一横置油缸，并通过齿条齿轮传动来实现切割臂的来回转动，转台通过销轴与切割臂、升降油缸的相互连接实现切割臂的升降运动。

5）机架位整体焊接式的高强度框架结构。它是掘进机的中央骨架，转台、装载铲板、左右履带架、电控等与其连接，并承受来自切割、装运和行走等机构的各种负荷。机架尾部可悬挂转载机。第8页/共53页第9页/共53页§1

掘进工艺方式2、施工流程图我矿的一般采用机掘全断面一次成巷，掘一排，打注一排。每次割完煤后，采用掘进机上机载临时支护装置托起护顶方式作为超前临时支护，最后按规程措施进行永久支护。第10页/共53页§1

掘进工艺方式切割方式：

切割方式：切割方式由于各煤矿地质条件的不同，所采用的切割方式也不尽相同。我矿一般的割煤方式为：每次截割煤(矸)时，截割头从掌面底部右下角吃刀，进0.1m向右摆0.2m再进0.1m向左摆回，就如此根据煤（矸）的硬度掏槽0.3-0.6m，然后从右向左，自下而上往复一刀一刀进行切割，每次吃刀深度最深为0.3-0.6m,每次抬高高度根据截割运行曲线图进行，直至割够一个循环深度。第11页/共53页第12页/共53页§1

掘进工艺方式临时支护过程：

退掘进机→截割头落地并闭锁，并停上一级电源，并挂牌→敲帮问顶→翻托梁器至截割头上→将3米π型钢梁置于第二根托梁槽内→在将钢筋托梁及金属网置于第一根托梁槽内→向前开掘进机使钢筋托梁达到排距要求→调整钢筋托梁达中线要求→掘进机停电闭锁，并停上一级电源，并挂牌→截割头下方支设一根道木→按钢筋托梁限定孔位打注巷道顶部临时支护锚杆（从一侧帮数第一根和从另一侧帮数第二根），再打注其他锚杆进行永久支护（同时帮、顶可平行支护）。第13页/共53页§1

掘进工艺方式锚杆钻机使用：

1）顶板锚杆钻机：手压扳机，开启马达控制阀，压气驱动马达带动主轴旋转；扳转开启气腿控制阀，气腿伸长，关闭气腿控制阀气腿回落，扳转开启水阀，冲洗水进入钻杆冲洗钻孔。手动调节各阀开启量，即可调节钻机转速、推力或水量。

2）帮部锚杆钻机：开启马达控制阀，钻机主轴旋转，调节把手可以控制马达的工作状态，钻机只须一人操作，右手控制马达转速。

3）我矿掘进工作面锚杆钻机钻孔时，先用1.0米的短钎杆，后换2.0米的长钎杆，根据锚杆型号的不同，采用相对应的钻头。钻孔时升起锚杆机，使钻头插入相应的钢筋托梁限定孔位置进行钻孔，孔深达到规程要求，并保证钻孔角度，钻到预定孔深后下缩钻机，同时清孔，清除煤粉和泥浆。第14页/共53页§1

掘进工艺方式设备及布置第15页/共53页§2

掘进系统

1、通风系统我矿的掘进工作面一般采用压入式通风方式。一个工作面所需风量要考虑瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、工作面人数所需风量、巷道风筒漏风等因素，要满足工作面迎头风量，我矿掘进工作面现场一般采用功率为2×15Kw的风机作为压入式风机，其吸风量为270m3/min,出风量为250—260m³/min；湿式除尘器采用KCS-408zZ型抽出式除尘风机，风机功率为37Kw。

1）按瓦斯涌出量计算

Q掘=100*qCH4*K掘

Q掘—掘进工作面需风量qCH4—工作面相对瓦斯涌出量K掘—工作面瓦斯涌出不均衡系数第16页/共53页§2

掘进系统

2）按二氧化碳涌出量计算

Q掘=67*qCO2*K掘

3）按最低风速计算

Q掘=60*V*SV—《煤矿安全规程》中规定的掘进面最低风速，半煤岩巷为0.25m/s。

S—掘进巷道的最大净断面

4）按人数计算

Q掘=4*NN—掘进工作面同时工作的最多人数。说明：每人共风要求不小于4m³/min第17页/共53页§2

掘进系统

2、压风系统我矿的压风系统最高压力在0.6—0.8MP,随着矿井延伸及各工作面的用风，在掘进工作面一般为0.3—0.5MP，掘进工作面压风系统采用4寸的铁管（红色），风管在巷口开始安设寸半支管和寸半阀门，随着巷道的推进每隔100米安装一个，每隔300米安装一个4寸大阀门，阀门手轮必须保证齐全完好，保证施工中正常用风。

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掘进系统3、供水系统我矿的供水系统最高压力在1.8—2.0MP之间，随着矿井延伸及各工作面的用水，在掘进工作面一般为1.0—1.2MP，掘进工作面布置有供水系统，静压水采用直径4寸的静压水管（蓝色）布置，静压水管从巷口开始安设6分支管和6分阀门，同样随着巷道的推进，每隔50米安装一个，每隔300米安装一个4寸大阀门，阀门手轮齐全完好，保证巷内各转载点、喷雾、掘进机及巷内消防用水。第19页/共53页§2

掘进系统

4、排水系统我矿掘进工作面排水系统采用的为接力排水法。根据巷道实际情况（包括巷道涌水、地质条件等因素），排水系统采用一至两趟六寸（159mm)铁管（黄色）进行铺设并紧跟工作面，掘进工作面准备一台1台30Kw（或15kw）水泵和1台5.5Kw水泵，80开关2台（热备）。5.5Kw水泵要与排水管路形成系统且处于热备状态紧，另一台30Kw或15KW水泵处于冷备状态，配备相应的软管（不少于50米）、接头等配套设施若干，放置于巷道内距工作面不大于150米支护完好易于取用的地方。

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掘进系统

掘进巷道沿途根据实际情况在水窝处增设排水点，每个排水点安装一台5.5Kw潜水泵，每台排水能力15立方米/时，功率5.5Kw，扬程15m，并在备件处备此型号水泵、配套开关各一台以便及时安装更换。

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掘进系统

5、监测监控系统我矿掘进工作面配备具体包括：

1）P2140KP型甲烷传感器：工作面及巷口各一台，在二次供电的情况下，巷道内移变下风侧配备一台（9#和15#一样）

2）P2030KP型一氧化碳传感器：9#、15#煤每部皮带下风侧配备一台，除此以外15#煤工作面配备一台。

3）每个掘进工作面配备一台DJS—3型断电仪，两台KGT9—E型风机开停传感器（风机开关内），一台P5003型多功能转接器，一台P5000干线扩展器和一台P4000A备用电池。

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掘进系统

6、供电系统我矿掘进工作面的排水及风机供电系统采用双回路供电系统，工作面机电设备动力电源采用单回路供电系统。排水设备供电系统两路为：一路为专用排水供电系统，一路为工作面机电设备动力电源供电系统；风机供电系统两路均为专用供电系统。

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掘进巷道支护

1、锚杆支护的优越性

1）支护原理：主动支护，充分利用围岩自承能力，有悬吊、组合梁、挤压加固、加固拱、围岩补强、减少跨度等作用；而棚式支护为被动支护；

2）支护效果好，有利于巷道的长期稳定；

3）节约大量钢材，减少支护材料运输量；

4）巷道在服务期间内基本不需要维修；

5）减轻工人劳动强度，改善作业环境；

6）简化了采煤工作面端头支护工艺，有利于采煤工作面快速推进，实现高产高效;第24页/共53页§2掘进巷道支护

2、锚杆支护机理锚杆杆体长度方向的尺寸远大于其它两个方向尺寸，力学上属于杆件。可以提供两方面的作用，第一是抗拉，其次是抗剪作用。抗弯能力和抗压能力非常小。第25页/共53页§2掘进巷道支护

第26页/共53页§2掘进巷道支护锚固前后岩石应力应变关系第27页/共53页§2掘进巷道支护

(1)锚杆的早期作用锚杆早期作用：阻止破碎岩块掉落并抑制浅部围岩扩容和离层。锚杆安装越及时，预紧力越大，支护效果越好。锚杆没有预紧力，只有当岩层产生一定变形时锚杆才有载荷，不能控制在这以前顶板岩层的离层和失稳。预应力太小也不能起到良好效果。锚杆安装不及时，较大范围内的岩层已产生滑动、失稳、离层，岩层承载能力丧失很大，再打锚杆，不会取得良好的锚固效果。第28页/共53页§2掘进巷道支护

(2)锚杆的中期作用随着时间推移，围岩破坏范围逐渐扩大。锚杆能伸入稳定岩层时，其作用为：将破坏区岩层与稳定层相连，阻止破坏岩层垮落。锚杆提供径向和切向约束，阻止破坏区岩层扩容、离层、滑动，从而提高其承载能力。锚杆不能伸入稳定岩层时，其作用主要是在破坏区内形成次生承载层，它可以阻止上部破坏岩层的进一步扩容和离层。次生承载层厚度的影响因素很多，而且是不断变化的。当其远小于巷道尺寸时，必须考虑压曲失稳和弯曲失稳。第29页/共53页§2掘进巷道支护

(3)锚杆的后期作用当次生承载层压曲失稳后，如果能满足块体咬合平衡，巷道顶板仍能保持稳定。两倾斜锚杆作用明显，它不仅可以阻止破坏岩层滑落，同时有一定的控制转动的作用。但是，当转动角度较大时，要求倾斜锚杆承受的载荷很大，平衡不易满足，因此，锚杆群支护很容易失稳、垮落，而且倾斜锚杆端部的岩层因受力过大也会发生破坏。第30页/共53页§2掘进巷道支护锚杆支护巷道围岩承载结构

第31页/共53页§2掘进巷道支护

3、帮锚杆的作用煤巷两帮变形破坏特征主要是扩容、松动和挤出。由于煤层强度较低，且受到采动影响，所以煤巷两帮支护显得尤为重要。打锚杆后，对煤帮的两种变形均有控制作用，加钢筋托梁后效果会更好。第32页/共53页§2掘进巷道支护

4、锚索作用原理

锚索具有锚固深度大、锚固力大、可施加较大预紧力等优点，是困难巷道工程支护加固不可缺少的重要手段。锚索的作用主要是将锚杆支护形成的次生承载层与围岩的主承载层相连，提高次生承载层的稳定性。即使次生承载层发生断裂、转动，也不致于失稳而引起的顶板垮落。锚索可施加较大的预紧力，可挤紧和严密岩层中的层理、节理裂隙等不连续面，增加不连续面之间的摩擦力，从而提高围岩的整体强度。第33页/共53页§2掘进巷道支护

煤巷锚杆支护设计

锚杆支护设计是锚杆支护成套技术中的一项核心内容。如果支护形式和参数选择不合理，就会造成两个极端：其一是支护强度太高，浪费材料；其二是支护强度不够，出现冒顶事故。所以说锚杆支护形式和参数的选择对发挥锚杆支护的优越性具有十分重要的意义。第34页/共53页§2掘进巷道支护

煤巷锚杆支护初始设计方法：

1、工程类比法：当一个地点的巷道锚杆支护设计证明是合理的，在同一煤层类似尺寸的其它巷道，通过现场调查和评估，证明两个地点在地质条件、围岩性质、应力场等方面相似，则第二个地点可参考第一个地点锚杆支护设计。

2、数值模拟法：根据地质力学评估结果建立数值计算模型，通过多支护方案的模拟和比较，确定最优方案作为锚杆支护初始设计。第35页/共53页§2掘进巷道支护

3、软件设计法：采用“晋城煤业集团公司煤巷锚杆支护设计软件JCBOLT”设计。必须保证输入软件的参数合理、准确、可靠。

第36页/共53页§2掘进巷道支护

3、锚杆支护初始设计应包括以下内容：

(1)巷道名称、布置和用途,地质力学评估结果；(2)巷道断面设计；(3)锚杆支护形式设计；(4)锚杆支护参数设计；

(5)锚杆支护材料设计；(6)锚杆支护施工设计；(7)锚杆支护矿压监测设计；(8)巷道围岩地质条件变化后的支护对策；

(9)巷道受工作面采动影响时的超前支护设计。

第37页/共53页§2掘进巷道支护我矿锚杆的支护形式一般有以下类型：

(1)单体锚杆支护；

(2)锚网支护；

(3)锚梁（带）支护；

(4)锚网梁（带）支护；

(5)锚网梁（带）、锚索支护。 服务时间长的煤巷，根据需要还应进行喷浆。巷道顶板应采用钢筋托梁或钢带作为锚杆支护的组合构件。第38页/共53页§2掘进巷道支护锚杆支护参数设计应包括以下内容：

(1)锚杆种类（螺纹钢，圆钢，玻璃钢，其它锚杆）；

(2)锚杆几何参数（直径、长度）；

(3)锚杆力学参数(屈服、拉断载荷、延伸率)；

(4)锚杆密度，即锚杆间、排距；

(5)锚固方式（端部,加长,全长锚固）和长度；

(6)锚杆预紧力矩或预紧力；

(7)组合构件形式、规格和强度；

(8)金属网形式、规格和强度；第39页/共53页§2掘进巷道支护锚杆支护参数设计应包括以下内容：

(9)锚索种类；

(10)锚索几何参数（直径、长度）；

(11)锚索力学参数（拉断强度、延伸率）；

(12)锚索密度，即锚索间、排距；

(13)锚索安装角度；

(14)锚索孔直径，锚固方式和锚固长度；

(15)锚索预紧力，锚索锚固力拉拔试验结果；

(16)锚索组合构件形式、规格和强度。

(17)提供巷道锚杆支护布置图；

(18)提供锚杆支护材料消耗表。第40页/共53页§2掘进巷道支护支护材料必须符合晋城煤业集团公司企业标准或煤炭行业标准。杆体、锚固剂、托板、螺母及组合构件等的力学性能和结构必须相互匹配。

注：我矿所采用的锚杆包括：高强度螺纹钢锚杆、树脂锚杆、玻璃钢锚杆等等。锚杆支护初始设计应提供巷道掘进过程中可能遇到的围岩地质条件变化的处理办法。特殊地段，如断层和破碎带、应力集中区、顶板淋水地段、加宽段、交岔点、硐室等，应进行专门的支护设计，并制订特殊安全技术措施。在正式设计应用过程中，当地质条件发生较大变化时，必须根据巷道条件和监测数据判断原设计的有效性，必要时修改设计，采取加强支护措施。

第41页/共53页§2掘进巷道支护锚杆支护材料包括锚杆杆体、锚固剂、托板、螺母，组合构件（钢筋托梁、W钢带）、金属网，锚索、锚具、锚索托板、锚索托梁等。各构件的性能、强度与结构应相互匹配。

第42页/共53页§2掘进巷道支护金属锚杆杆体应符合以下规定：

(1)高强度螺纹钢锚杆杆体必须使用左旋无纵筋螺纹钢。(2)高强度杆体的屈服强度不低于400MPa，极限抗拉强度不低于570MPa，延伸率不低于15%；(3）圆钢锚杆杆体的屈服强度不低于235MPa，抗拉强度不低于370MPa，延伸率不低于20%。(4)杆尾螺纹应采用滚压加工工艺成型，保证杆尾螺纹部分破断力不低于杆体破断力的90%。(5)锚杆杆体不直度不大于3mm/m。第43页/共53页§2掘进巷道支护树脂锚固剂：执行煤炭行业MT146.1-2002标准。锚杆托板应符合以下规定：

(1)金属托板形状应为拱形，根据需要还应配用调心垫圈。

(2)托板的承载能力应与杆体尾部螺纹承载力相匹配。

(3)金属托板尺寸不小于100100mm，其厚度不小于6mm。第44页/共53页§2掘进巷道支护组合构件应符合以下规定：

(1)根据巷道条件选用钢筋托梁和W型钢带。

(2)托梁宽度应与托板匹配（托板尺寸应大于托梁宽度20mm）。托梁必须保证焊接质量。

(3)W钢带煤炭行业MT/T861-2000《矿用W钢带》标准。巷道顶板网应采用金属网，优先选用菱形金属网。巷帮可根据条件选择符合相应技术指标的金属网及其它材料的网。第45页/共53页§2掘进巷道支护锚索安装应符合以下规定：

(1)锚索应紧跟掘进工作面安装；

(2)钻孔直径不得大于28mm，其它同锚杆钻孔；

(3)锚索安装后必须施加一定的预紧力，预紧力的值应控制在100~120kN；

(4)张拉锚索时要两人协作，操作人员要避开张拉缸轴线方向，以保证安全；

(5)张拉时不合格锚索，必须在其附近补打；

(6)张拉后，锚索的外露长度不得超过300mm；

第46页/共53页§2掘进巷道支护井下锚杆锚固力抽检符合以下规定：

(1)掘进工作面施工中，每班要由专人采用锚杆拉拔计对顶、帮锚杆进行锚杆锚固力抽检；

(2)锚杆锚固力抽检抽样率不小于3%。每300根顶（帮）锚杆抽样一组（9根以上）进行检查。不足300根时，按300根考虑；

(3)抽检中发现不合格锚杆，应在其周围补打合格锚杆。第47页/共53页§2掘进巷道支护井下锚杆锚固拉拔力抽检符合以下规定：锚固拉拔力检测采用拉拔计在巷道中完成

(1)锚固拉拔力检测抽样率为3%。每300根顶（帮）锚杆抽样一组（9根）进行检查。

(2)当支护设计、支护材料发生变更；围岩地质条件发生较大变化，如遇断层、破碎带、