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1、 独创性声明 本人郑 声明：所 5.交的学位论文，足本人江 4 师的指导下，独立迸行研宄 工作所取得的成果。除文中已絰注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 钯体己经发及成 ffi 写过的研宂成果， di 不包含为认得 河北工程大学 或 it-他教 n 机构的学位或证书而使用过的材料，对本文的研宂做出屯耍贞献的个人和集体 , 均己在论文中作 /明确的说明并农示谢怠。本人完全怠识到本声明的法律结果 巾本人承构。 学位论文版权使用授权书 本嗲位论文作者充全 /解 河北工程大学 符关保沼、使用学位论文的规 定。特校权 河北工程大学 可以将学位论文的全部成部分内荇编入冇关数椐库 进行检索，并采用影
2、印、缩印或扫描等复制手段保存、 il:编以供奄阅和借阅。同 息卞校向国家有关部 n 成机构送 i 论文的 a 印件和电 ？文 tv (保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 工学硕士学位论文 岩巷快速掘进优化设计及应用 河 北 工 程 大 学 2014 年 5 月 分类号： TD3 密 级： 公开 UDC： 单位代码： 10076 工学硕士学位论文 岩巷快速掘进优化设计及应用 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 曹飞飞 蔡振禹教授 工学硕士 米矿工程 资源学院 河北工程大学 A Dissertation Submitted to Hebei University
3、 of Engineering For the Academic Degree of Master of Engineering Quick rock drivage optimization design and application Candidate ： CaoFeiFei Supervisor : Prof.CaiZhenYu Academic Degree Applied for ： Master of Engineering Specialty ： Mining Engineering College/Department ： College of Resource Hebei
4、University of Engineering May, 2014 摘要 随着我国的煤炭行业的发展，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，而岩巷掘进速度却一直停留在较低的水平，使采掘接替 普遍紧张。本文以薛村矿南翼地区皮带运输巷为研究对象，运用数值计算、现场 试验与理论分析等方法研究并制定了岩石巷道快速掘进优化设计方案，通过工业 性实验验证了该方案的有效性及可行性。 本文在总结分析前人研究成果的基础上，从施工工艺、掘进设备选择、地质 条件及施工组织管理等方面对岩巷快速施工进行了分析和总结，并在此基础上为 实现岩巷高速高效掘进施工提出了现实的技术措施。在具体实践应用
5、中，进行了 具体技术研究，其中主要包括：岩巷快速掘进的设备选型，设备选型及配套设施 的选择是影响岩巷快速掘进的主要因素，文中将对不同配套设施进行优化分析， 最后综合选型；设备选型后，对机械装备如何实现快速掘进进行深入分析，对层 位选择，支护优化，破岩最佳效能进行分析；巷道除尘，岩巷掘进时，产生大量 的岩石粉尘，严重影响巷道的快速掘进和工人的健康，本文对岩巷掘进除尘设备 设施进行改进，降低掘进产生的粉尘，进而提高岩巷掘进速度；作业方式优化， 在岩巷掘 进过程中，不同的作业方式对掘进速度有极大影响，寻找合适的作业方 式将会极大提高岩巷掘进速度。 实现结果表明，岩巷掘进的设备选型及配套设施的选择、岩
6、层层位的合理选 取、支护方式的优化设计、巷道有效除尘、作业方式优化，能够实现岩巷的高效 快速掘进。 关键词：岩巷掘进；设备选型及配套；优化设计；除尘；作业方式 Abstract With the development of our countrys coal industry, coal mining technology and mining method are constantly updated, coal mining mechanization level also constantly improve, and the speed of rock drivage is stil
7、l stuck in the lower levels, make the mining to replace common nervous. Mining area in the south flank of the belt transport lane based on xue village as the research object, using the numerical calculation and field test and theoretical analysis method to study and formulate the quick rock roadway
8、drivage optimization design, through the industrial experiment shows the validity and feasibility of the scheme. In this paper, on the basis of analyzing the previous research results, from construction technology, the equipment selection, the geological conditions and construction organization and
9、management of quick rock construction are analyzed and summarized, and on this basis to realize the high efficient rock drivage construction practical technical measures are put forward. In practice application, carried on the concrete technology research, mainly including: the quick rock drivage of
10、 equipment selection, equipment selection and the choice of supporting facilities are the main factors affecting the quick rock drivage, in this paper, we will optimize the different facilities analysis, finally comprehensive selection; After the equipment type selection, the machinery and equipment
11、, analyzing how to realize the rapid advance of horizon, supporting optimization, broken rock best efficiency analysis; Roadway dust removal, rock drivage, produce large amounts of rock dust, seriously affected the rapid mine roadway excavation and the health of workers, in this paper, the rock driv
12、age dedusting equipment was improved, reducing drivage of dust, thus improve the rock drivage speed; Optimization of operation, in the process of rock drivage, different ways of operation has a great effect on driving speed, looking for the right practices will greatly increase the speed of rock dri
13、vage. Implementation results show that the rock drivage of equipment type selection and the selection of supporting facilities, strata horizon of rational selection and optimization design, the roadway support mode, effectively remove dust, optimization of operation, can realize the efficient quick
14、rock drivage. Key words:Rock drivage ;Equipment selection and matching ; The optimization design ; Dust removal ; Mode of operation m w . i Abstract . I . I 第 1 章绪论 . 1 1.1问题的提出 . 1 1.2研究的意义 . 2 1.3西内外研究现状 . 2 1.3. 1国外研究现状 . 3 1.3.2国内研究现状 . 3 1.4生要研究内容、方法及技术路线 . 4 1. 4. 1 .主要研究内容 . 5 1.4.2研究方法 . 5 1
15、.4.3技术路线 . 6 第 2章工作面概况及地质条件 . 7 2. 1南翼地区及皮带输送机巷概况 . 7 2. 1. 1 煤层 . 7 2.1. 2其它开采条件 . 8 2. 1. 3 储量一 . 8 2. 1.4南翼生产系统 . 9 2. 1_ 5 南翼皮带运输巷 . 9 2. 2地质条件 . 9 2. 2. 1 水文地质条件 . 10 2. 2. 2 地质构造 . 11 2.2.3陷落柱 . 11 第 3章影响快速掘进因素分析 . 13 3.1掘进装备的影响分析 . 13 3.2巷道内粉尘影响分析 . 15 3.3作业方式影响分析 . 16 3.4人员综合素质影响 . 17 3.5组织管
16、理影响 . 19 3. 6 小结 . . 20 第 4章岩巷快速掘进装备选型 . 21 4 1综掘系统的优点及其各部分选型 . 21 4. 1. 1 综掘系统简述 . 21 4. 1. 2 综掘系统的优点 . 24 4.1.3掘进机选型 . 24 4. 1.4皮带输送机选型 . 26 4. 1. 5 大巷矿车选型 . 29 4. 2掘进设备及其配套装备优化研究 . 29 4. 2. 1方 案 1掘进机 +桥式胶带转载机 +可伸缩胶带输送机作业线 .29 4. 2. 2方案 2掘进机 +桥式胶带转载机 +刮板输送机作业线 . 30 4. 2. 3方案 3掘进机 +梭车作业线 . 30 4. 2.
17、 4方案 4掘进机 +吊挂式胶带机 +矿车作业线 . 30 4. 2. 5配套方案选取 . 30 4. 3小结 . 31 第 5章实现快速掘进途径分析 . 33 5. 1巷道层位合理选取 . 33 5.2巷道支护方式优化 . 34 5. 3巷道成型控制分析 . 36 5. 3. 1截割最优路径分析 . 36 5. 3. 2断面极限形状分析 . 37 5.4掘进机掘进轨迹分析 . 39 5. 5破岩最佳效能分析 . 41 5. 5. 1刀盘推力 . 41 5.5.2刀盘扭矩 . 41 5.5.3刀盘转速 . 41 5. 6提高掘进机开机效率途径分析 . 42 5.6.1开机率的定义 . 42 5
18、.6.2开几率的分类 . 42 5.6.3开机率的计算 . 42 2. 6. 4提商开机率的途径。 . 42 5. 7小结 . 44 第 6章高效综合防尘技术 . 45 6. 1粉尘的危害 . 45 6. 2截割产尘机理 . 46 3. 2. 1截割工作面粉尘的构成 . 46 6. 2. 2截割产尘机理分析 . 47 6. 3岩巷高效综合防尘技术 . 51 6. 3. 1旋流式除尘风机除尘 . 52 6.3.2压风管续接附壁风筒辅助除尘 . 52 6.3.3喷雾设备降尘 . 52 6.3.4净化防尘帘降尘 . 53 6. 4 小结 . 54 第 7章作业方 式优化 . 55 7. 1岩巷掘进常
19、规作业方式分析 . 55 7.2四六制与三八制对比分析 . 57 7. 3薛村矿快速掘进作业方式优化 . 57 4. 4小结 . 59 第 8章现场工业性试验 . 61 5. 1现场施工概况 . 61 8. 1. 1优化巷道层位、支护设计 . 61 8 L 2优化排奸运输系统 . 61 8. 1.3 优化作业线，设备合理选型 . . 63 8. 1.4 采用除尘风机、附壁风筒 . 63 8. 2快速掘进组织与管理保障措施 . 63 8. 2. 1优化劳动组织 . 63 8. 2. 2制定合理的正规循环作业 . 64 8. 2. 3加强综掘机司机技术培训 . 64 8. 2. 4加大地质测暈及地
20、质预报 . 64 8. 2. 5严格考核机制、严抓工程质量管理 . 65 8.3整条巷道月进度 . 65 8.4经济社会效益 . . 65 8. 4 1 经济效益 . . 65 8. 4. 2社会效益 . 66 8. 5小结 . 67 g i 仑 . 69 g . 70 作者简介 . 73 学习经历 . 73 攻读硕士学位期间发表的论文 . 73 研究生期间课程学习情况 . 73 第 1 章绪论 1. 1 问题的提出 薛村矿 1959 年投产，目前矿井生产能力 140万 t/a， 主采煤层为 5.5m厚的 2# 煤层（大煤），配采煤层为 1.3m厚的 4#煤层（野青），全部为贫煤。生产地区主
21、要在 -280m水平，煤层埋深 500m左右。 经过 50 余年的开发，薛村矿煤炭资源日益匮乏，面临资源枯竭和采掘关系紧 张的难题，截止 2012 年底，主采煤层 山西组 2#大煤，已无正规地区进行生产。 为了延长矿井服务年限，最大限度的回收资源，减少资源浪费，薛村矿三水平南 翼地区确定为后续发展需要衔接的主要地区。该区为前些年开采结束盘区，大煤 和野青煤层大部分已开采完毕，但剩余呆滞煤柱资源及深部山青资源广阔，可采 储量共计 430万 t。 南翼地区各盘区前些年正式生产时均有完整的生产系统，但目前各生产系统 均有不同程度的变化和损坏，其中最为严重的是主要运输系统和 通风系统。巷道 及硐室大都
22、失修严重，整修难度和工程量十分巨大。在薛村矿南翼地区生产系 统改造设计中提出重掘皮带运输巷和专用回风巷方案和对原有系统恢复方案两 个方案，并最终确定重掘皮带运输巷，至矿井南翼地区中部，做为南翼地区的主 要运输系统。该运输巷道布置在山青层位（上下 ） 附近 6m 范围较软岩层内，岩石 硬度在：户 3 7。 薛村矿目前正进行盘区接替，巷道开拓延伸岩巷工程量大。传统岩巷炮掘速 度慢，新区准备时间长，严重制约正常衔接。为扭转这一被动局面，将传统的岩 巷炮掘施工工艺改为岩巷综掘机掘进工艺施工，以加 快掘进速度，缓解接替紧张， 但面对全新的工艺和复杂的地质条件，掘进速度难以达到预期，有必要在已经取 得的一
23、些成果的基础上，结合薛村矿的实际条件，研究以实现岩巷安全快速掘进 为目的的快速掘进应用技术。 巷道掘进是煤矿生产的重要生产环节。 “ 采掘并重，掘进先行 ” ，巷道的快 速掘进是保证矿井高产稳产的关键技术措施。采掘技术及其装备水平直接关系到 煤矿生产的能力和安全。以掘进机为主体的高效机械化掘进与支护技术是保证矿 井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。随着综采技术的发 展，回采工作机械化水平日益提高，使年消耗回采巷道数量大幅度增加，从而使 巷道掘进成为了煤矿高效集约化生产的共性瓶颈问题及关键性技术。 岩巷掘进一直是煤矿掘进施工的难题。长期以来，其掘进速度跟不上回采速 度成为制约盘
24、区接替和煤炭生产的主要问题。研究与之相适应的掘、装、运、支 综合掘进技术，通过技术创新、设备配套、统筹管理，从而实现高产高效，是生 产、科研人员追求的重要目标。 薛村矿可供布置正规完整采区或工作面的煤层块段已很少，煤炭资源日益 枯 竭，南翼地区的早日接替是保证矿井的生产稳定的关键，皮带运输机巷是整个生 产系统的重要工程和咽喉工程，是早日形成完整生产系统实现南翼机械化生产和 集中运输的必要条件。岩巷掘进实现机械化快速掘进将有利于早日接替，尽快达 产，有利于提升煤炭生产集中度和产业水平，提高安全生产水平。岩巷使用掘进 机及配套设备进行施工在薛村矿尚属首次，对本矿岩巷快速机掘有重要理论、技 术指导意
25、义，也为相似条件矿井提供了有力的参考意义。 可见，基于薛村矿南翼皮带输送机巷的具体地质和开掘条件，结合采矿技术 发展的最新理论和采矿设备的进 步，对掘进机及其配套设备选型、掘进机远程遥 控、粉尘防治、劳动组织等一系列难题予以研究，具有重大的理论和实践意义。 1.3 国内外研究现状 随着煤炭工业的发展，岩巷掘进技术水平有了很大提高，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，形成了比较成熟的机械化作业线， 大大加快了岩巷掘进速度。岩巷的掘进施工方面，世界上主要有两种施工手段： 一种是钻爆法施工，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。 1.3. 1 国
26、外研究现状 全断面掘进机是实现连续破岩、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。 1985年美国工程师 Charles Wislson 发明了險道掘进机，通常这被第一台成功 的在岩石中连续掘进的机器。 1956 年， Robbins 为加拿大基础公司制造了第一台 取得成功的岩石隧道掘进机，被用于多伦多市的 Hulllber 下水道工程，这是一台 直径为 3.28m的隧道掘进机，掘进一条长约 4.5km、 主要由砂岩、页岩、含石英 的石灰岩组成的隧道，根据报告，岩石的抗压强度为 5 186Mpa。 自 50 年代中期
27、进行工业化生产以来，岩石隧道掘进机技术取得重大进展，掘 进机施工有着钻爆法施工不可比拟的优点，在世界科技飞速发展的今天，更使掘 进机有了广阔的使用条件，己广泛应用于各国的能源、交通、城建、国防等部门 的地下工程建设。 现在全断面岩巷掘进机用于煤矿巷道掘进，平均掘进速度可达 10 12m/d， 平 均月进一般为 300 400m。 但是该类掘进机目前也存在一些问题，其中主要是掘进 机庞大笨重，拆装时间久，转移运输不便，辅助作业时间长，机器 作业率低，动 力消耗大，刀具寿命短，其费用占总费用的 85%，掘进成本高。而且要求所掘进 巷道的曲率半径大，不适应我国的煤矿巷道要求。特别是岩性变化大，遇到涌
28、水， 断层破碎带等地质条件时适应性差，掘进速度明显下降，甚至无法工作。因此岩 巷全断面掘进机的发展受到限制。 1967年，美国曾创造了月进 2088.9m的世界纪录。掘进机施工巷道质量高， 支护简单，工作安全，作业条件好，效率高。但该机构造复杂，成本高，对掘进 巷道的岩石性质和长度均有一定要求。 1.3. 2 国内研究现状 全断面掘进机作业线在我国的研制是在 70年代后 期开始的。 1968 年 6月， 古交矿区建井一处在东曲平酮开始试用直径 5m全断面掘进机机械化作业线，累 计进尺超过3600m， 最高月进尺 202m。 1988 年 4月 -1989 年 2月，直径 3.2m全 断面掘进机
29、在云南羊场煤矿被使用，累计进尺 1014m， 最高月进尺 260.17m， 平 均月进巧 6.13m。 我国煤巷高效掘进方式中最主要的方式是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套 作业线，也称为煤巷综合机械化掘进，在我国国有重点煤矿得到了广泛应用，主 要掘进机械为悬臂式掘进机。 我国煤巷悬臂式掘进机的研制和应用始于 20世纪 60年代，以 30 50kW 的 小功率掘进机为主，研究开发和生产使用都处于试验阶段。 80年代初期，我国淮 南煤机厂引进了奥地利奥钢联公司 AM50型掘进机、佳木斯煤机厂引进了日本三 井三池制作所 S-100型掘进机，通过对国外先进技术的引进、消化、吸收，推动 了我国综掘机械化
30、的发展。但当时引进的掘进机技术属于 70 年代的水平，设备功 率小、机重轻、破岩能力低及可靠性差，仅适合在条件较好的煤巷中使用，加之 国产机制造缺陷，在使用中暴露了很多问题。国内进一步加强对引进机型的消化 吸收工作，积极研制开发了适合我国地质条件和生产工艺的综合机械化掘进装备。 经过近 30 年的消化吸收和自主研发，目前，我国已形成年产 1000余台的掘进机 加工制造能力，研制生产了 20多种型号的掘进机，其截割功率从 30kW 到 200kW， 初步形成系列化产品，尤其是近年来，我国相继开发了以EBJ-120TP型掘进机为 代表的替代机型，在整体技术性能方面达到了国际先进水平。基本能够满足国
31、内 半煤岩掘进机市场的需求，半煤岩掘进机以中型和重型机为主 ，能截割岩石硬度 为 f=6 8,截割功率在 120kW 以上，机重在 35t 以上。煤矿现用主流半煤岩巷悬 臂式掘进机以煤科总院太原研究院生产的 EBJ-120TP 型、 EBZ160TY型及佳木斯 煤机厂生产的 S150J 型三种机型为主，占半煤岩掘进机使用量的 80%以上。 然而，国内目前岩巷施工仍以钻爆法为主，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，但国内煤炭生产逐步朝向高产、高效、安全方向 发展，煤矿技术设备正在向重型化、大型化、强力化、大功率和机电一体化发展 新汶矿业集团、淮南矿业集团及平顶山煤业集 团公
32、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。全岩巷重型掘进机 代表了岩巷掘进技术今后的发展方向。 1.4 主要研究内容、方法及技术路线 1.4. 1 主要研究内容 论文围绕影响岩巷快速掘进的几个主要因素进行分析，开展以下几个方面的 研究： (1) 岩巷快速掘进的设备选型，设备选型及配套设施的选择是影响岩巷快 速掘进的主要因素，文中将对不同配套设施进行优化分析，最后综合选型： (2) 设备选型后，对机械装备如何实现快速掘进进行深入分析，对层位选 择，支护优化，破岩最佳效能进行分析； (3) 巷道除尘，岩巷掘进时，产生大量的岩石粉尘，严重影响巷道
33、的快速 掘进和工人的健康，本文对岩巷掘进除尘设备设施进行改进，降低掘进产生的粉 尘，进而提尚岩巷掘进速度； (4) 作业方式优化，在岩巷掘进过程中，不同的作业方式对掘进速度有极 大影响，寻找合适的作业方式将会极大提高岩巷掘进速度。 1.4. 2 研究方法 本课题采用的研究方法主要有数值计算、现场试验与理论分析等，详细的研 究方法如下： (丄）实现快速掘进理论分析 在充分了解掘进的地质条件和巷道围岩性质后，分析了掘进设备、巷道内粉 尘、作业方式、人员综合素质、组织管理等对掘进速度的影响，为实现岩巷快速 掘进提供理论基础。 (2) 数值计算 通过对锚索支护强度和巷道断面极限尺寸的计算，得出合理的优
34、化支护方式 与巷道断面尺寸大小。 (3) 现场试验 通过对三水平南翼山青地区进行现场试验，在该地区设计掘进一条皮带运输 巷至矿井南翼地区中部，观察岩巷的掘进速度，生产安全状况，除尘效果、组织 管理等，验证是否满足岩巷快速安全高效生产的要求。 采用现代采矿理论、巷道掘进与支护理论、项目管理以及安全工程的理论和 方法，分析影 响岩巷快速掘进技术的因素，研究岩巷快速掘进技术。技术路线如 图 1-1所示。 图 1-1 技术路线图 Fig 1-1 Technology road 第 2 章工作面概况及地质条件 2.1 南翼地区及皮带输送机巷概况 南翼地区位于薛村矿井田南部，南至薛村矿与牛儿庄矿井田技术边界煤柱， 西部及北部至老五盘区（ 96503、 96504工作面 ） 采空区，东至三水平南正巷、南 付巷。走向长1566.7m左右，倾向长约 342.2m， 形状不