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1、 y I . 论文题目： 岩巷高速高效掘进施工技术研究 作者姓名： 曲广龙 入学时间： 2005 年 9 甩 专业名称： 采矿工程 研究方向： 矿山压力瑞 指导教师： 林东才 职 称 ： A _ 授 _ 论文提交日期： 2008 年 6 月 论文答辩日期 ： 2008 年 6 月 10 日 授予学位日期： _ The TECHNICAL RESEARCH ON ROCK TUNNEL HIGH-SPEED EFFICIENT CONSTRUCTION A Dissertation submitted in fulfillment of the requirements of the degre
2、e of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Qu Guanglong Supervisor: Professor Lin Dongcai College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2008 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献 外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关 作鉴定。 AFFIRMATION I declare
3、that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute.
4、声 明 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着我国的煤炭形势好转，煤矿采煤技术和采煤方法得到不断更新，采煤机械化水 平也不断提高，采煤工作面推进速度提高到 150 250m/月 ，甚至更高，而岩巷掘进速度 却一直停留在较低的水平，使采掘接续普遍紧张。主要是由于矿井机械化程度仍然不高， 支护优化不好，且工艺组织不够合理，掘进速度受到一定的限制。因此，研究岩巷高速 高效掘进施工具有重要的理论价值和工程意义。 本文在总结分析前人研究成果的基础上，从施工工艺、掘进设备、地质条件及施工 组织管理等方面对岩巷高速高效掘进施工的影响因素进行了理论分析和总结，并在此基 础上为实现岩巷高速高效掘进施工提出了
5、可参考的技术措施。在具体煤矿的实践应用中， 全面开展了提高岩巷掘进速度的具体技术研究，其中主要 包括：通过岩石力学性能测试 分析和数值模拟，优化巷道支护方案；进行岩巷掘进设备综合配套研究；开展岩巷高速 高效施工方案设计和劳动组织研究，提出并应用了 “三掘三喷 ”新工艺；应用了新型的 自燃陶粒土喷浆材料；开展研究裂隙岩体爆破研究，并以此为基础，进行了爆破钻孔布 置的优化设计；应用了刚性风筒长距离通风技术等，取得了良好的经济效益和社会效益。 关键词：钻爆法施工；岩巷；高速高效掘进；劳动组织管理 山东科技大学硕士学位论文 摘要 ABSTRACT As the situation of our cou
6、ntrys coal is better, the coal-mining technology and the coal-mining method and mining mechanization obtain the unceasing renewal, the speed of the process of advancing coal face is increased to 150-250 meter per month,or even higher. But the rock drivage speed is kept at low level, which generally
7、made the mining continuing difficult. Principally because the mechanized degree of mines is not still high, the support optimization is bad, also the craft organization insufficiently is reasonable, drivage velocity have been restricted. So the study of rock tunnel drivage with high-efficiency and h
8、igh-speed has important theoretical value and engineering significance. Based on the previous research results, the analysis and the conclusion of the influence factor of rock tunnel drivage with high-efficiency and high-speed are carried out from the construction craft, the tunneling equipment, the
9、 geological condition and the construction organization management and so on. They offer the technical measures to rock tunnel drivage with high-efficiency and high-speed. In a concrete practice of a coal mine, overall the specific technical research of the rock drivage speed are developed, which ma
10、inly concludes tunnel support optimization scheme from test analysis of the rock mechanics property and numerical simulation, the research of mechanized equipment in the rock drivage, the research of scheme design and labor organization in rock tunnel drivage with high-efficiency and high-speed, a n
11、ew applied process of “three times of excavations and gunites”， a new application of “autoi 职 ition ceramisite gunniting material”, the optimization drilling and blasting method, the application of rigid fan drum for long distance ventilation, which obtain the good economic and social profits. Keywo
12、rds: drilling and blasting; rock tunnel; high speed and high efficiency drivage; labor management arrangement 山东科技大学硕 :丨 . 学位论文 H 录 目录 1 绪论 . 1 i.i 课题的提出 . 1 1.2 岩巷掘进的现状 . 2 1.3主要研究内容 . 5 1.4研究方法及技术路线 . 5 2 岩巷掘进施工工艺 . 7 2.1钻眼爆破 . 7 2.2 掘进通风 . 10 2.3 装岩与运输 . 10 2.4 支护及其材料 . 13 2.5 本章小结 . 14 3 岩巷高速高效施
13、工的影响因素 . 15 3.1 高速高效掘进的含义 . 15 3.2 岩巷高速高效掘进的影响因素 . 15 3.3 本章小结 . 18 4 实现岩巷高速高效掘进的关键技术研究 . 19 4.1 裂隙岩体爆破研究 . 19 4.2 围岩岩性测试技术 . 20 4.3 巷 道数值模拟分析 . 26 4.4 巷道支护设计 . 33 4.5 液压钻车与侧卸装岩机的选择 . 36 4.6 自燃陶粒土喷浆材料的应用 . 41 4.7 科学的劳动组织管理 . 42 4.8 本章小结 . 46 山东科技大学硕士学位论文 _ 5 工程应用 . 48 5.1 岩巷概况 . 48 5.2 支护优化 . 50 5.3
14、 设备选择 . 54 5.4 施工工艺及新技术 . 55 5.5 应用效果 . 57 5.6 本章小结 . 60 6 主要结论与展望 . 62 6.1 主要结论 . 62 6.2 MU . 63 参考文献 . 64 麟 . 67 攻读硕士期剛 要成果 . . 68 山东科技大学硕士学位论文 _ H 录 Contents 1 Introduction . 1 1.1 The Issue Raised . 1 1.2 The Present Status of The Rock Drivage . . 2 1.3 The Main Contents and Methods . * . 5 1.4
15、The Technical Courses . 5 2 the Basic Technological Process of Rock Iinnel Excavation . 7 2.1 Drilling and Blasting . 7 2.2 Excavation and Ventilation . . 10 23 Mucking and Carriage . 10 2.4 Supporting and Material . 13 2.5 Brief Summary . 14 3 Influencing Factors of High-speed Efficient Constructio
16、n in Rock Ibnnel . . 15 3.1 The Meaning of High-speed Efficient Construction . * . 15 3.2 Influencing Factors of High-speed Efficient Construction in Rock Tunnel . 15 3.3 Brief Summary . . . 18 4 The Key Technology Research on High-speed Efficient Construction in Rock Tunnel. 19 4.1 Application of B
17、lasting Technique . 19 4.2 The Testing Technology of Wall-rock Lithology . 20 4.3 Numerical Simulation Analysis in Rock Tunnel . . . 26 4.4 Roadway Support Design . 33 4.5 Selection of Hydraulic Drill Carriage and Sides Dump Mucker . 36 4.6 Application of Autoignition CeramisiteDunniting Materia . 4
18、1 4.7 The Scientific Labor Organization andManagement . 42 4.8 Brief Summary . 46 5 Engineering Application . 48 5.1 The General Situation of Rock Tunnel . . 48 5.2 Supporting Optimizition . * . 50 5.3 The Equipment Choice . . . 54 5.4 Construction Process and Its Technology . 55 5.5 The Application
19、 Effect . 57 III ) 山东科技大学硕士学位论文 _ 0 5.6 Brief Summary . 60 6 Mostly Conclusions and Prospect . 62 6.1 Mostly Conclusions . 62 6.2 Prospect . 63 Main Reference Documents . . . . 64 Appreciatin . 67 Main Achievements . 68 IV 山东科技大学硕 t:学位论文 1 绪论 绪论 1.1 课题的提出 在 我国的煤矿开采中，巷道掘进与支护工程量很大。 2004 年统计资料显示，国有重 点煤
20、矿总进尺达 5045km， 全国 256 个综采工作面年耗回采巷道 820km11。 随着我国煤炭 形势好转，煤炭幵采技术和采煤方法的迅速发展，高产高效矿井的建设，综采放顶煤等 生产技术的采用，使得煤矿开采效率大幅度提高，而巷道掘进却相对滞后。 巷道掘进是一个综合的施工工艺，一方面与掘进设备的现代化程度有关，另一方面 与各生产工序有关。例如，巷道的及时支护影响着巷道的掘进速度，而巷道的掘进速度 又直接影响煤矿的开采速度。近年来，岩巷高速高效掘进技术在我国许多煤矿有了一定 的发展，但仍有部分关键环节的技术未得到很好的解决。 掘进设备方面，岩巷液压钻车机械化综合作业线施工技术在国外岩巷大断面巷道施
21、 工中应用较普遍。但是，由于液压钻车机械化综合作业线施工技术相对复杂，应用设备 较多，各项施工工艺需要密切配合，管理水平要求较高，所以在国内井工矿山岩巷施工 中，液压钻车机械化综合作业线施工技术并没有得到很好的应用，也就没有能通过该项 技术提高大断面岩巷的高速高效掘进。目前，国内井工岩巷施工绝大部分还是采用人工 风锤打眼、耙岩机出矸、矿车运输的陈旧工艺；在支护上采用锚杆支护，渣沫、沙、水 泥喷浆护巷技术；密集的劳动组织方式，较低的机械化程度，使得岩巷掘进施工速度慢， 劳动强度较大，噪音与粉尘超标，施工环境卫生恶劣，安全管理困难。国内即使曾经使 用过岩巷液压钻车作业施工的矿井，大多也没有 实现岩
22、巷高速高效掘进，没能实现大断 面岩巷液压钻车机械化综合配套作业线施工，生产效率依然较低。到上世纪九十年代， 许多矿井的液压钻车纷纷下马，岩巷液压钻车施工陷入低潮 2P151。 无论是引进还是国产的设备，一旦进入掘进循环系统，均难以达到高速高效掘进的 要求，采掘比例失调现象仍很严重。因为除了设备本身的影响外，主要配套环节，包括 支护、转载、运输、供电、供排水、通风、通讯、安全等，也是制约掘进速度的关键因 素。据测算， 一 般情况下，一个循环中支护时间占总时间的 50%60%，切割占 20%30%, 系统的 故障影响占 10%15%。如能解决支护与掘进 同步，可大大提高单位时间内的掘进 速度间。
23、山东科技大学硕士学位论文 _ 总的来说，在岩巷掘进中，大部分矿井机械化程度不高，且工艺设计不够合理，岩 巷施工速度较慢，在一定程度上制约了矿井生产的发展，与高产高效矿井建设，减人提 效，实现集约化生产形成了很不配套的发展局面，许多矿井呈现出采掘衔接紧张的局面。 为解决岩巷施工速度慢制约矿井生产发展这一关键问题，各煤炭企业和矿井均在寻找岩 巷高速高效施工技术，因此，研究岩巷的高速高效 施工技术具有重要的意义。 1.2 岩巷掘进的现状 随着我国煤炭工业的发展，煤矿建设技术水平有了很大提高，岩巷掘进技术方面也 有了一定的发展，如锚喷支护技术的推广应用，中深孔爆破，机械化程度的提高，形成 了比较成熟的
24、机械化作业线等，但仍需要不断改进来提高岩巷掘进速度 781 岩巷掘进施工方面，我国主要有两种施工手段：钻爆法施工，即传统的打眼、放炮、 化整为零的掘进方法；另一种为采用掘进机整体掘进。 1.2.1 钻爆法施工现状 (1) 钻眼机 目前，钻眼（又称凿岩）机具按能源分，有风动、电动、液压、内燃四种。按破岩 机理来分，有冲击式、旋转式两种。 50 年代，国外已基本实现钻、装、支等工序的单项机械化； 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，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；前苏联、法、英、原西 德等国还相继开发
25、了一机多用的机组，简化了工作面的作业设备，缩短了机械搬、调、 运时间，提高了掘进工效和速度。美国采用内燃主机钻车与铲运机 (LHD)机掘岩巷，取 得了良好进展，而且还开发出了微机控制的液压钻车 (2) 起爆器材 起爆器材就是供给炸药能量 使其爆炸的器材。起爆器材在煤矿中包括导爆索、雷管 及发爆器。 我国矿用炸药、爆破雷管、发爆器在近年来都得到了相应的发展，向爆破更经济更 合理的方向发展。我国的矿用炸药是以硝胺类为主体发展起来的。到 1954 年，由解放初 的 3个品种增至包括矿用型的 8 个品种。 70 年代以来，又相继研制了含水类炸药、浆状 炸药、水胶炸药、乳化炸药。爆破雷管有瞬发雷管、秒延
26、期雷管和毫秒延期电雷管等。 2 山东科技大学硕士学位论文 _ 绪论 70 年代末，非电爆管及其起爆系统问世后，我国研制了非电爆管和非电毫秒雷管，并在 工程爆破上得到应用 11)。 (3) 爆破技术 我国巷道钻眼爆破技术发展是迅速的。从浅眼爆破发展到中深眼爆破，从工作面多 次放炮到全断面一次爆破，到上世纪 70 年代，毫秒爆破已得到普遍应用，大大提高了爆 破效率和质量。 70 年代以后，光面爆破、预裂爆破得到了大面积推广应用，改变了普通 的自由式爆破，实现了控制爆破。特别是光面爆破与锚喷支护相结合，实现了巷道支护 的改革，在加快掘进速度、提高支护质量、降低成本等方面取得了显著的技术经济效果。 (
27、4) 装岩与运输 装岩与运输是巷道掘进中比较繁重的工作，约占掘进工作循环时间的 35%50%。上 世纪 60 年代，开始发展小型蓄电池机车、钢丝绳牵引卡轨车和轻型刮板输送机，代替了 人力推车。 70 年代以来，先后研制成功耙斗装岩机、侧卸式装岩机、蟹爪装岩机及立爪 装岩机。配套的运载运输设备也在不断改善，先后出现了 QZP 160 型桥式转载机、可 伸缩胶带运输机等，目前我国常用的装岩机有耙斗装岩机和铲斗装岩机两种。运输普遍 采用矿车，用人或电机推调车 (5) 钻爆法施工技术的优缺点 钻爆法施工的优点在于，施工具有灵活、方便、成本低廉的特点，适应于各种自然 环境和地质结构，可掘任何形状、长短的
28、巷道，适合我国国情。炮掘的潜力非常大，组 织好炮掘巷道的 高速高 效施工，对于保持矿井正常的采掘关系，维持矿井的稳产 、高产 具有重要意义。 钻爆法施工的缺点有： 存在超挖，造成了预应力分布不均衡、出碴多、浪费喷浆 材料、延长了施工时间等方面的现象，最终影响岩巷单进速度的提高； 对围岩的破坏 大，对围岩造成了不同程度的损伤，加大了支护难度，提高了支护费用 ； 工作面工人 作业环境差。 目前，我国岩巷掘进施工 的机械化水平、施工工艺、施工速度都还明显落后于发达 国家，仍是矿山建设的薄弱环节，施工速度较慢，全国平均月成巷只有 6070m。 发展 钻爆法掘巷，优化爆破工艺，实现岩巷的高速高效掘进成为
29、我国中小型煤矿岩巷掘进施 工的重点，通过近二十年来的不断努力，采用钻爆法进行岩巷的掘进取得了一定成效。 80 年代，在对国外技术研究的基础上，开始进行以侧卸式装岩机为主的机械化作业线的 试验和推广T 作。煤炭科学研究总院北京建井研究所等单位，在新汶矿区协庄矿试验以 3 山东科技大学硕士学位 论文 _ 绪论 多台气腿式凿岩机、侧卸式装岩机为主的作业线，在掘进断面为 15.74m2的岩巷中，连 续 3 个月成巷 100m 以上。 1986 年，我国在对国外技术研究的基础上实现了钻车国产化 , 以液压钻车、侧卸式装岩机为主的机械化作业线开始在我国煤矿使用。 1.2.2 掘进机的发展现状 岩石全断面掘进机，完全取消了钻眼爆破工序，并使破岩、装岩平行作业，它是实 现连续破岩、装岩、转载、临时支护、喷雾防尘等工序的一种联合机组。岩石全断面掘 进机机械化程度高，可连续作业，工序简单，施工速度快 43。岩巷掘进机最早出现于十 九世纪五十年代，但是由于没有解决刀具和动力等问题，致使这门技术在整整一个世纪 内停滞不前，只用于挖软岩隧道。直至二十世纪五