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巷道快速掘进与高效支护成套技术装备

2020-07-29
来源:中国安全生产 作者:山东天河科技股份有限公司 马士秀


我国煤巷掘进支护施工有三种作业方式:掘进机配单体锚杆钻机、连续采煤机配锚杆钻机和掘锚护一体化。其中,掘锚 护一体机能够及时控制围岩变形,对于厚煤层开采导致的巷 道顶板破碎的掘进环境,其适应能力更强。研制适合厚煤层巷 道掘锚护一体化设备,实现高阻力临时支护和快速及时支护顶板,有效控制顶板离层,则能够提高掘进效率及支护质量。

                                      

研究方向

 

本研究根据矿井支护设计要求和作业环境,研究并完善了一套厚煤层大断面煤巷快速掘进的掘锚护一体化设备及配 套锚杆施工工艺,其主要研究内容如下。  

 优化锚杆支护设计参数,并开发设计一种集掘进、锚杆支 护、临时支护和除尘功能于一体的机械化施工装备。支护关键技术研究。利用力学知识从理论上分析煤层巷道顶板受力情 况,建立煤层巷道顶板受力力学模型。改进支护工艺、工序, 改善掘进、装载、运输、锚杆、锚索钻机、临时支护等关键施 工环节,使施工工艺适应掘锚护一体化设备作业。优化截割、 锚杆施工、临时支护等结构的布置方案,提高设备的工作能力和动作的灵活性,提高设备适用能力,减少掘进各工序切换时间,提高掘进开机率,以满足快速掘进的需要。增加智能高效湿式除尘系统,降低掘进工作面粉尘,改善工作环境。

 

安全高效

 

本研究通过对综掘工作面快速掘进影响因素、巷道空顶变形规律和掘进工艺进行系统分析,总结掘锚护一体化装备 的适用技术环境,从而对现有煤矿巷道掘锚机进行针对性的关键技术研究,取得以下创新成果。  

 针对原有煤矿巷道掘进支护施工效率低、劳动强度大、 危险程度高的缺陷,研发出集掘进、锚固、机载临时支护于一体的掘锚护一体机,实现了掘进切割、锚固支护、机载临 时支护的连续化作业。  

 掘锚护一体机装备采取了悬臂方式的截割机构布置方案,截割头纵轴式设计,电机通过减速机减速后带动截割部 落煤,采用铲板配合星轮的装载结构,液压驱动星轮转动进行生产。采取了两侧布置、单侧双钻臂的机载锚杆钻机布置方案,截割作业时,单侧锚杆钻机收回停放于履带行走的上部;锚杆作业时展开,实现对顶板、侧帮的锚杆施工。  

 开发一种可安装在掘进机本体的掘进机用锚杆钻机机构,并设计了一种四钻机、平行作业的液压锚杆钻机系统。 改变了过去仅靠提高钻机功率(即提高钻机回转扭矩及转速),来提升锚杆作业效率的方法,通过布置多个液压锚杆钻机,将锚杆作业总工作量分摊,显著提高锚杆支护效率。  

 本研究开发了一种可安装在掘进机本体的掘进机用锚杆钻机机构并开发出一种四部液压锚杆钻机平行作业的钻锚系统。煤部锚杆钻机均有独立的调角、纵移功能,保证前部、后 部锚杆钻机作业独立、互不干涉。其布置方式如图1所示。





锚杆作业时,巷道顶板处于空顶状态,严重危害作业人员安全。因此在支护作业前对顶板进行临时支护,是保障工人人身安全,提高作业安全性的重要举措。为保证支护接顶面积及托举锚网、钢带方便性,研发了两种临时支护方式: 一是掘进机机载临时支护,二是单轨吊临时支护形式。

 掘进机机载临时支护设计采用一种液压缸驱动扩展的框架式护顶结构,实现对截割后待支护顶板的临时防护和网、钢带的托举。液压缸隐藏式布置;通过套筒伸缩式结构实现 护顶框架的升降;设置双侧液压缸结构,带动伸缩臂的翻 转,进而将临时护顶装置整体紧密叠放于截割机构的上部。 内外层套筒之间设计间隙调整结构;可完成托举、铺设锚网工作,锚固作业时作为临时支护对顶板进行可靠支撑,连接 锚网时也可作为人工平台使用。  

 


单轨吊临时支护(如图2所示),是一种突破了原有支护安装方式,采用单轨吊为主体,不占用巷道底部空间,将临时支护顶架移动至迎头,打开顶架即可完成巷道顶板及迎 脸位置支护。既可满足支护要求,又可满足运输需求。单轨吊采用油缸步进,输送能力强。远程遥控操作可保证工人安全性,并可全方位观察设备在自移过程中的巷道情况和掘进机配合情况。 



 


 巷道掘进过程中产尘量大,严重危害井下作业人员的健康,本研究首次将除尘系统写入掘锚机的企业标准,研发了 基于悬臂式掘进机平台的抽尘风道及吸风口、一种矿用无线 遥控自移式气动控尘装置(如图3所示),通过对产尘机理 研究,采用一种负压抽尘、湿式降尘的除尘系统,设计四部除尘风道布置于掘锚机本体上,吸风口的设置靠近截割部, 方便吸纳前部粉尘,配合一种矿用无线遥控自移式气动控尘装置一起使用,提高吸尘效率,降低作业过程中的粉尘浓 度,保障作业人员的身体健康。

本研究从工程地质条件、施工工艺、掘进工艺、机械设备的选型、临时支护等几个方面阐释分析了煤巷快速掘进系 统的影响因素。主要采用有限元模拟仿真的技术(FLAC)分析了无支护状态下巷道围岩的变形特征,结果表明:及时对巷道顶板进行临时支护和锚杆支护,对于控制巷道围岩的变形具有重要意义,且支护强度越大,巷道的变形量越小。从而改进了支护工艺、工序,改善掘进、装载、运输、锚杆、 锚索钻机、临时支护等关键施工环节,使施工工艺适应掘锚一体化设备作业。

 

应用情况

 

 该项目产品历经3年的研制并通过国内多方现场试验应用验证,能够适用于煤矿井下煤巷、岩巷、半煤岩巷,矩形、梯形或拱形等各种不同巷道形状的快速掘进施工。除了

矿山开采领域以外,还可广泛应用于公路、铁路、隧道交通、桥梁建设、水利工程等领域。   

“巷道高效快速掘锚护一体化技术研究与应用”项目产品在兖矿集团兴隆庄煤矿率先投入现场应用,在设备运行期 间,我们对系统的常规要求、关键设备的性能、施工质量、 可靠性等进行了测试,测试结果良好,能够满足生产实际需求。使用结果如下。

 减少迎头作业人数,原有施工工艺中截割作业需要两人配合完成,通过改变司机操作位置,使截割作业人数减少1人。  

 锚杆作业时,原有工艺中迎头需要2-3部气动锚杆钻机,每部锚杆钻机需要3人操作, 锚杆作业总人数需要7人。 应用本项目产品后总作业人数为4人。结合掘进作业相关工序情况原有掘进班组每班人数9人,采用本项目后,作业人员每班仅需 5人,可减少作业人数4人。  

 作业效率显著提高,人工铺设锚网、钢带由于劳动强度较大,需要30min。本项目通过使用临时支护装置进行锚网及钢带铺设工作,铺设两排锚网、钢带仅需10-15min,效率提高50%以上。  

 锚杆作业时,本项目中采用液压锚杆钻机进行钻孔及锚固作业,锚杆钻机转速为600r/min,是普通气动锚杆钻机两倍以上,施工一个锚杆孔仅需4min,锚索孔约8min左右。   

采用四部液压锚杆钻机进行锚杆、锚索作业,施工两排锚杆耗时30min左右,原有工艺施工两排锚杆耗时50min,提高效率近50%  

原有工艺中需要预留浮煤进行锚杆作业,锚杆作业完成后,需要二次清理浮煤,浮煤清理用时约15min。本项目中, 每部钻机均设置有人工作业平台,作业人员可跟随钻机就近 施工锚杆,无需预留浮煤,减少了二次清理浮煤时间。由于各工序作业时间大大减少, 开机率显著提高,单班进尺可提高50%

人工铺设锚网及钢带时,极易造成砸伤危险。本掘锚机采用临时支护装置托举锚网、钢带,固定可靠,操作人员位于已支护区域,杜绝了砸伤隐患,提高了铺设锚网、钢带安全性。本研究中液压锚杆钻机固定于悬臂机构上,不仅实现了锚杆钻机往复移动,同时可获得较大力矩进行锚杆作业, 解决了以上危险。  

 综上所述,本研究的研究成功,显著提高作业效率,降低劳动强度,提高作业安全性, 具有良好的经济效益及社会效益,为煤矿安全、高效生产提供可靠的保障。煤矿巷道掘锚护一体化快掘技术,从根本上降低人工成本、减少劳动强度、提高工作效率、改善工作环境,对建设绿色、安全、 高效的新型矿井具有重要的意义,真正达到了减人增效的目的,具有较大的推广应用空间。

 


【责任编辑:cheng】