一五计划巷道快速掘进法（快掘专题康红普院士）

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创新点

（1）数值模拟研究得出了掘进工作面围岩应力、变形、破坏分布特征；提出了掘进工作面围岩稳定性的主要影响因素。

（2）根据煤巷掘进工作面空顶距及自稳时间，对煤巷掘进工作面围岩稳定性进行了分类，提出了煤巷可掘性的概念及分类；分析得出了巷道的可掘性、围岩的可钻性、可锚性及对掘进速度的影响。

（3）提出了提高煤巷掘进速度的主要技术途径，包括确定适合的掘进模式，优化掘进工艺，优选掘进装备；确定合理的支护形式与参数，适当降低支护密度；掘进全系统整体配套与协同。

（4）提出了煤巷掘进自动化、智能化技术总体架构，及应解决的关键技术：自动化、智能化截割、临时支护、自动化锚杆施工、超前探测、定位与导航、掘进工作面围岩稳定性与环境监测及大数据分析等，并指出了我国煤巷掘进自动化、智能化的发展路径。

作 者

康红普^1,2,3，姜鹏飞^1,2,3，高富强^1,2,3，王子越^1,2,3，刘 畅^1,2,3，杨建威^1,2,3

单 位

1. 中煤科工开采研究院有限公司；2. 煤炭科学研究总院 开采研究分院；3. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室

研究背景

巷道掘进与支护是井工开采的关键技术之一,是保证煤矿安全、快速、高效建设与生产的必要基础。我国井工煤矿每年新掘进的巷道总长度超过12000km,其中煤、半煤岩巷道占比80%以上,是我国规模最大的地下工程。巷道掘进速度、效率、成本显著影响矿井的产量与效益。

与非煤矿山巷道、交通隧道等相比,煤矿巷道处于煤系沉积岩地层中,不仅围岩强度低,而且多数围岩结构面发育、稳定性较差。同时,随着煤矿开采深度不断增加,高应力巷道越来越多;随着大型采掘设备的广泛采用及通风的要求,巷道断面越来越大;随着采煤工作面推进速度和产量的不断提高,采掘接续紧张的局面日益突出,要求在保证巷道安全与支护效果的条件下,显著提高巷道掘进速度;另外,为降低煤炭生产成本、提高矿井效益,巷道掘进与支护成本不能过高。所有这些因素给巷道掘进与支护提出更高的要求。

掘进包括割煤、运输、支护(临时支护、永久支护)、通风、降尘等多个工序,每个工序及各工序之间的相互协同均影响成巷速度。我国煤巷掘进技术、装备及机械化水平明显落后于采煤技术与装备。目前,全国综掘工作面平均月进尺不到200m,掘进队与综采队平均配比为3.1∶1,采掘比例严重失衡。

目前,煤巷普遍采用综合机械化掘进,掘进设备主要有3 种类型:悬臂式掘进机,连续采煤机及掘锚一体化机组。前2者掘进与支护分离,需配套单体锚杆钻机、锚杆钻车等支护施工设备,而掘锚机组将割煤、运输、临时支护、永久支护设计为有机的整体,有利于实现掘支平行作业。锚杆、锚索支护是我国煤矿巷道的主体支护方式,已根据我国煤矿巷道地质与生产条件,开发出锚杆支护成套技术,广泛应用于不同类型的巷道,取得良好的技术经济效益。但仍然存在支护工序复杂、支护密度偏大、支护速度慢、用人多、效率低等问题急需解决。

摘 要

分析了煤矿巷道掘进技术与装备现状及存在的问题,采用数值模拟方法研究了掘进工作面围岩应力、变形、破坏分布特征;分析了围岩稳定性的主要影响因素,包括围岩强度、围岩结构及地应力等地质力学参数,巷道断面尺寸、开挖方式、空顶距、掘进速度等掘进参数,及临时支护、永久支护等。

巷道开挖后在掘进工作面顶角和巷道四角周围出现应力集中区;围岩位移、破坏在超前工作面一定位置开始出现,随着远离掘进工作面围岩位移和破坏范围不断增大,达到2倍巷道宽度时基本稳定;煤层强度、地应力对围岩变形与破坏的影响十分显著;分步开挖的顶板下沉量及破坏程度明显大于一次开挖;空顶距越大,围岩破坏裂隙越多、分布越广;过快、过慢的掘进速度对围岩稳定性均不利;掘进后安装及时、主动、支护阻力大的临时支护效果好;分次支护围岩位移和裂隙场的扩展均大于一次支护,通过分次支护提高掘进速度是以影响锚杆支护效果为代价的,应限定在一定的围岩条件。

根据煤巷掘进工作面空顶距及自稳时间,对煤巷掘进工作面围岩稳定性进行了分类,并提出了相应的支护要求;提出煤巷可掘性的概念,根据被掘煤岩体条件,对煤巷可掘性进行了分类;分析了围岩的可钻性、可锚性及对掘进速度的影响。提出提高煤巷掘进速度的主要技术途径:确定适合的掘进模式,优化掘进工艺,优选掘进装备;确定合理的支护形式与参数,适当降低支护密度;掘进全系统整体配套与协同。

根据掘进工作面围岩稳定性、可掘性、可钻性及可锚性,提出煤巷掘进自动化、智能化技术总体架构及应解决的关键技术:自动化、智能化截割、临时支护、自动化锚杆施工、超前探测、定位与导航、围岩稳定性与环境监测及大数据分析等,最后提出我国煤巷掘进自动化、智能化的发展路径。

部分图片

我国煤矿巷道掘进工艺与装备

掘进工作面周围应力分布

掘进工作面周围位移分布

掘进工作面周围破坏范围分布

围岩三向应力变化曲线

巷道围岩裂隙面积、破碎煤岩体积与至掘进工作面距离的关系

巷道表面位移与至掘进工作面距离的关系

巷道周围破坏范围分布

断层影响下巷道周围破坏范围分布

断层影响下巷道表面位移与至掘进工作面距离的关系曲线

不同地应力巷道周围破坏范围分布

最大水平主应力斜交时平行巷道轴向水平剖面位移分布

不同巷道宽度围岩裂隙面积变化曲线

不同开挖方式巷道表面位移与至掘进工作面距离的关系

不同空顶距围岩裂隙面积变化曲线

不同掘进速度的应力释放率曲线

不同掘进速度围岩裂隙面积变化曲线

不同临时支护围岩裂隙面积变化曲线

两次锚杆锚索支护布置

一次与两次支护下巷道表面位移与至掘进工作面距离的关系曲线

基于RMR与Q值的岩体自稳时间估计

掘进智能化总体架构

自动化喷涂临时支护示意

树脂锚杆施工工艺流程

基于深度学习的锚杆托板检测

基于视觉传感的锚杆实时位姿解算原理示意

巷道三维激光扫描点云分布

作者简介

康红普，男，1965年11月16日生，山西五台人，中国工程院院士，研究员，博士生导师，中国煤炭科工集团有限公司技术委员会主任、首席科学家，开采设计事业部党委书记、总经理。获国家科技进步奖和省部级科技奖励20余项，发表学术论文150余篇。获光华工程科技奖青年奖、孙越崎科技教育基金能源大奖、中国青年科技奖等奖励，被授予全国劳动模范、全国杰出专业技术人才称号，入选“万人计划”百千万人才工程领军人才。2015年当选中国工程院院士。

研究方向

巷道围岩控制理论与技术

主要成果

长期从事煤矿巷道围岩控制理论与技术研究工作，开发出以煤岩体地质力学测试为基础，锚固与注浆为核心的煤矿巷道安全高效支护成套技术。在煤岩体地质力学测试方面，发明了煤矿井下煤岩体地质力学原位快速测试方法与仪器，完成了30多个煤矿区的井下实测，获得了大量实测数据。揭示出煤矿井下地应力分布规律，建立了估算地应力的公式，为矿井开拓、煤炭开采、巷道布置及巷道支护设计提供了可靠的基础。在煤矿巷道支护方面，全面、系统地研究了巷道围岩变形与破坏规律、支护与围岩相互作用，提出支护应力场、综合应力场等概念，及预应力支护理论，开发出高强度、高刚度锚杆支护成套技术体系，为煤矿巷道提供了安全、高效的支护技术。针对破碎围岩巷道，将注浆与锚固技术有机结合，开发出注浆锚杆与锚索，并组织开发了多种化学注浆材料，为破碎围岩加固提供了有效方法；针对坚硬顶板与高应力围岩，开发出定向水力压裂技术与设备，成为坚硬、高应力围岩控制的有效途径。研究成果已推广应用于我国煤矿多个矿区，取得了显著经济社会效益，推动了我国煤矿巷道支护技术的改革与发展，提升了巷道围岩控制技术水平。

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