软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与工程实践

软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与装备是煤矿安全高效开采以及智能化建设的迫切需求。以具备膨胀性、节理化等软岩特征的煤矿回采巷道工程为背景,梳理了国内外掘锚一体机快速掘进技术发展现状,剖析了软弱围岩条件下掘锚一体机快速掘进面临3个方面的难题,包括全宽截割对围岩的扰动控制,软弱围岩及时高效永久支护,软弱围岩快速掘进煤帮临时支护。提出了软弱围岩掘锚一体化快速掘进的5项关键技术,包括:(1)低扰动截割技术。主要包括椭型全宽截割滚筒、截齿排布优化、截割动力学优化等。(2)减小空顶空帮距的及时支护技术。该技术是在掘锚一体化技术基础上,研制了集双圆柱导向、多连杆升降、支护油缸撑顶撑底、随动挡矸帘防护于一体的多钻机整体滑移平台,将掘锚一体机作业空顶距由2.5 m降至1 m,作业空帮距由3.5 m降至1 m。(3)软弱围岩多维度协同支护技术。综合考虑锚杆锚索支护参数间的时空协同效应和支护体与围岩的协同效应,掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板,后部同步实施增强永久支护。(4)钻锚一体化技术。主要包括锚杆结构和力学特性、锚固剂材料及泵注技术等。(5)煤帮喷涂临时支护技术。主要包括快反应高延伸率喷涂材料、高比例精度喷涂泵送、不规则煤壁表面自适应轨迹控制、矿用防爆高精度机械臂、喷涂材料配套补给等。基于以上内容,研制了可控作业空顶距掘锚一体机,并进行了井下试验。试验表明,该装备有效缩短了作业空顶距和空帮距,实现了作业空顶距“可控”,适应于软弱围岩巷道快速掘进,掘进效率提高了1倍。

煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备及应用

分析煤巷掘进技术与装备现状及存在的问题,介绍研发的钻锚一体化快速掘进新模式、新技术、新装备及井下应用效果。研发出钻锚一体化锚杆支护技术与设备,包括钻锚一体化锚杆、泵注式锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统,将传统树脂锚固锚杆安装6道工序简化为1道连续工序,实现了锚杆自动化“一键”打设,单根锚杆作业时间由原来5~6 min减少为3 min。研发出自动化喷涂支护技术与装备,包括高强、速凝、抗变形喷涂护表材料,抗拉强度超过9 MPa,断裂伸长率超过100%,黏结强度高于3 MPa;研发出6自由度喷涂系统,可实现随掘自动化快速喷涂作业。研发出巷道随掘变形动态监测技术与系统,实现随掘大粉尘、多干扰、低照度环境下的巷道表面变形监测,监测精度能够满足围岩稳定性评价要求。提出煤巷掘支锚运分区并行协同快速掘进新模式,研制出钻锚一体化快速掘进成套装备。对试验矿井陕西陕煤曹家滩煤矿回采巷道掘进过程中围岩位移和稳定性进行了监测,在时间上,巷道掘出2~3 h后80%以上的围岩位移已经发生;在空间上,距离掘进工作面相当于2倍巷道宽度的位置,90%以上的围岩位移已经完成。快速掘进引起的巷道围岩位移在很短时间内就基本完成,要求支护必须及时且快速。在曹家滩煤矿10 m超大采高综采工作面特大断面回采巷道完成近6000 m的巷道掘进工程,打设钻锚一体化锚杆60000余根。锚杆施工时间、支护用工人数及作业人员劳动强度大幅降低,掘进速度、效率及自动化水平显著提高。试验巷道顶板位移量小、完整稳定,支护效果良好。煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备井下试验取得成功,具备了特大断面煤巷月掘进进尺1500~2000 m的能力。

掘锚一体化高效掘进理论与技术

为提高巷道掘进效率,提出了掘锚一体化高效掘进的概念,指出高预应力锚固理论、空顶区顶板稳定控制理论、软岩流变理论、松动圈理论和锚杆支护动态信息设计方法等是掘锚一体机高效掘进的理论基础,进一步采用数值模拟和试验,发现了高效掘进围岩破坏变形规律和低比能耗高效截割的有关规律。针对综掘工艺平行作业率低的难题,攻克了高效掘进系统集成配套技术,创新研制掘锚一体机、锚杆转载机、跨骑式锚杆钻车和柔性连续运输系统等装备,构建掘进、支护、运输、除尘等工序的同步作业线,掘支运平行作业时间由25%~35%增至50%~70%。攻克了掘锚一体化技术和全宽截割技术,研制了国产掘锚一体机,优化了截割功率、空顶距、接地比压,行走采用千伏级交流变频调速技术,解决了国外设备截割能力不足、适应性差等难题,研制了双驱动高速合流重型截割减速器,实现截割功率达340 kW,研制前探式临时支护,将临时支护空顶距由1 m减至0.4 m,研制宽型履带底盘,整机接地比压由0.28 MPa降至0.2 MPa;针对锚杆支护与转载运输平行作业的难题,攻克了空间多维度同步支护技术,研制了锚杆转载机和跨骑式锚杆钻车等设备,通过多组钻机实现多排多臂分段平行支护,掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板,后部同步实施增强永久支护,形成“前疏后密,快速推进”协同支护体系;攻克了多钎杆钻孔自动接续技术,钎杆由机械手自动续装、由钎杆仓存储,解决了锚索钻装不连续的技术难题;针对胶带长距离搭接的难题,研制出柔性连续运输系统,设计了位姿锁定的蛇形关节架体、偏置摆动式油气悬挂、具有减摩降阻机构的迈步式自移机尾、穿梭动力站等核心部件,实现小半径90°转弯和150 m往复搭接、连续转载;针对高效掘进粉尘防治的难题,提出了固液气三幕组合控尘方法,将粉尘控制在掘进工作面并形成粉尘池,防止粉尘扩散;研制了可随主机设备移动的除尘装置,实现除尘装置与掘进设备同步移动;攻克了小体积无龙骨自承式菱形滤袋过滤技术,研制了矿用全自动紧凑型袋式除尘器,总尘除尘率达99.7%;攻克了滤网表面超疏水改性、双面两级流线型气液分离等技术,研制了矿用机载湿式负压除尘器。应用表明,与原有掘进方法相比,掘锚一体化高效掘进技术在稳定围岩和中等稳定围岩条件下提高掘进速度1~2倍。

机载锚杆钻机实现掘锚一体化的几点思考

悬臂式掘进机加装机载锚杆钻机是适应我国国情,实现国内掘锚一体化煤巷快速掘进的发展方向。总结了国内对悬臂式掘进机加装机载锚杆钻机研究现状,指出该机组具有的主要特点,分析了目前机载锚杆钻机不能有效提高煤巷掘进速度主要存在的问题,并提出通过机械化铺网和调整锚杆安装工艺等措施来解决相关问题。

国产掘锚护一体机在鲍店煤矿的研究与应用

鲍店煤矿在现用掘进机的基础上,针对液压锚杆机使用、液压系统改造及临时支护的装置同步使用,成功研制了EBZ-MH160/2×300H掘锚护一体机。介绍了其结构特点、创新点和工业性试验情况。

煤巷快速掘进装备配套及支护参数优化研究

针对目前矿井巷道掘进速度慢、作业连续性差、安全性难以保证、支护理论不完善等问题,在分析掘进类型、快速掘进管理、设备研发等方面的基础上对综掘装备进行升级改造,并借助FLAC^(3D)数值模拟软件对巷道支护技术参数进行优化配置,实现了掘进工作面临时支护、锚杆施工机械化,提高了掘进效率及施工过程的安全性,节省了大量的支护时间和支护材料,降低了施工成本,经济效益和社会效益显著。

基于数字孪生的掘锚一体机实时状态映射

数字孪生是一种实现复杂装备在物理世界与信息世界互联融合的新兴技术,在复杂装备模拟仿真、监控分析、诊断预测、优化控制等方面有着广阔的应用前景.本文以掘锚一体机为对象,对复杂装备数字孪生运动与建模分析、数据传递及双向映射开展了研究.在数字孪生行为一致性方面,基于历史物理仿真数据库与实时驱动数据,实现了掘锚一体机运动学快速仿真分析.同时,提出了掘锚一体机数字孪生几何模型库构建技术,通过有限状态机、快速布尔运算等方法实现了掘锚一体机状态镜像映射,以及运动过程中服役环境实时仿真.此外,在实时状态映射方面,提出了掘锚一体机数字孪生虚实映射技术,通过在线采集与传递孪生数据,实现了基于异步传输的信息实时传递.对于掘锚一体机整机抬升、进给、挖掘、煤渣拢料等运动过程,数据处理平均延迟时间小于10-2ms,运动学插值处理数据误差小于3%,开发的掘锚一体机数字孪生仿真帧率达到74.3帧/s,实现了融合服役环境的掘锚一体机实时状态映射与作业流程实时在线监测.

锚杆钻机水系统优化设计

掘锚一体机在巷道里掘进时,需要对巷道打入锚杆,加固巷道。在钻入岩层的过程中,锚杆头部将形成积碴并产生大量热量,需要供水进行排碴和冷却。掘锚一体机的锚杆液压系统采用液控单向阀对锚杆进行冷却控制,但液控单向阀无法反向开启,无法实现锚杆冷却。针对此冷却回路,计算分析了液控单向阀反向开启的条件,分析了液控单向阀应用的合理场合,优化了液压系统,计算和试验结果均表明液压回路存在较大背压时,需采用平衡阀。

我国掘锚一体技术发展分析与研究

目前煤矿锚杆作业占主导地位的气动支腿式锚杆钻机不能满足煤巷锚杆作业自动化和机械化的发展需要,而液压锚杆钻机与掘进机的一体化技术虽在我国出现了多种形式,但是都存在着不同程度的问题,总结了掘锚一体机所必须满足的技术要求及发展趋势。

煤巷掘进机加装液压钻臂系统实现掘锚一体化

结合煤矿井下特定的工况条件及对锚杆支护的不同要求,探索在多型国产煤巷掘进机上实现掘进及锚杆支护一体化。在煤巷掘进机上加装液压锚杆钻臂系统,通过机载液压锚杆钻机对掘进工作面进行安全、及时、快速支护。经实际应用表明:加装液压钻臂系统的方案灵活多样;巷道整体的掘进速度和安全性得到有效提高,掘进工效由0.4 m/工提高到1.2 m/工;对大断面煤巷围岩的支护效果改善显著,比传统支护方式减少空顶时间30 min以上。煤巷掘进机加装液压钻臂系统实现掘锚一体化技术是提高煤巷快速掘进的一条新的有效途径。

掘锚一体化快速成巷技术在澳思达煤矿的应用

以兖煤澳大利亚有限公司澳思达煤矿巷道掘进生产为例,结合澳大利亚法律法规要求和西方先进采煤国家普遍做法,介绍了以连续采煤机为核心的双巷或多巷布置下快速掘进的生产工艺技术及装备,总结了掘锚一体化快速成巷技术的优势。

掘锚一体机在万利一矿的应用

介绍了掘锚一体机在万利一矿的应用情况,阐述了掘锚一体机的掘进工艺、巷道支护参数以及劳动组织情况。实践证明,掘锚一体机在万利一矿的应用效果良好,实现了最高月进尺1015m的好成绩,大大提高了煤巷的掘进速度,确保高产高效矿井各采煤工作面正常接替。因此,采用掘锚一体机的快速施工工艺,在有条件的矿井中将具有广阔的推广应用价值。

掘锚一体化技术在万利一矿的应用

通过对万利一矿2011、2012年掘锚单进水平和2012年设备综合利用率进行分析,总结了影响掘进效率的因素,并结合精益化管理理论,从巷道支护参数优化、提高设备综合利用率、激励机制等方面提出了改进方案,形成了配套合理的掘锚快速掘进工艺,提高了掘锚单进水平,实现了巷道的快速掘进。

国产智能薄煤层掘锚一体机设计与应用

我国作为一次能源生产和消耗大国,随着煤炭资源大量开采和消耗,通过绿色开采提高资源开采利用率势在必行。我国薄煤层煤炭资源可开采储量达61.5亿t以上,占全部可采储量的19%左右。由于薄煤层开采地质条件复杂,受狭小采掘空间限制人员劳动强度大,为了满足作业空间的要求,巷道掘进时需要对顶或底割除部分岩石,对掘进设备的适应截割硬度要求高,设备开发配套的相关企业较少,致使开采难度大“投入产出比低”采出率较低。随着人力成本的增加,国家要求资源利用率提高,开采机械化程度提高,薄煤层安全智能开采已受到广大煤炭生产企业的高度重视。因此,研制高效的智能薄煤层巷道掘进装备对于薄煤层的开采尤为重要。

下霍煤矿EBM340掘锚一体机快速成巷技术研究

为了解决下霍煤矿采掘紧张的局面,有效提高巷道的掘进速度,确保巷道工程质量,通过研究EBM340掘锚一体机的技术特点及其巷道快速掘进施工工艺,并应用到2306工作面运输顺槽掘进施工,实现了巷道的安全快速掘进,为今后掘进施工积累了一定经验。

复杂地质条件巷道快速掘进及支护系统的研究

为了提高巷道掘进及围岩支护效率,提出将融合掘进、支护、转载、运输等环节的快速掘进系统应用到35061巷快速掘进中,并进行工业应用。结果表明:速掘进系统不仅可明显提升巷道围岩支护效率,而且显著增加巷道掘进各工序平行程度;现场应用后巷道掘进进尺由以往的270 m/月提升至600 m/月,实现了巷道快速掘进以及支护的预期目标。该结论可为其他矿井巷道快速掘进工作提供一定借鉴。

下霍煤矿1306回风顺槽掘锚护一体化技术应用

为提高巷道掘进效率,缓解采掘接续紧张局面,通过对EBZ-160型综掘机进行优化改造,实现了机载锚杆钻机、临时支护装置与掘进机的有机结合,并基于下霍煤矿1306回风顺槽工程地质条件,设计了巷道支护方案,确定了掘锚护一体化综掘技术工艺。现场应用结果表明,采用上述工艺后下霍煤矿1306回风顺槽掘进效率明显提高,工人劳动强度与安全生产环境明显改善。

掘锚护一体机在煤巷掘进中的应用

根据店坪煤矿煤巷掘进工作面实际需要,在掘进工作中引进了EBZ200A掘锚护一体机。分析了5-3062掘进面采用掘锚护一体机掘进时的煤巷施工步骤和施工要求,研究发现设备简单可靠,大大提高了掘进效率,改善了人员劳动情况。

整体耦合让均压锚杆支护技术在红会矿区沿空巷道中的应用

以红会一矿1708工作面沿空掘巷为研究对象,对巷道掘进时矿压显现特点及原支护方式存在的问题进行了分析,提出了整体耦合让均压锚杆支护方案。现场应用表明整体耦合让均压锚杆能够保证在支护时使支护体具有一定的支护强度,提高被加固围岩的整体性,又保证支护系统具有一定的让压性能。

掘锚护一体机在坚硬顶板条件下煤巷掘进中的应用

掘锚一体机在坚硬顶板煤巷中应用,提高机械化程度,减少了人员的投入,降低了人员的劳动强度,改善了作业环境。形成了巷道综合一体化、机械化掘进模式,科学合理、简单实用。