一种煤巷多维度、协同支护方法与流程

[0001]
本发明属于煤矿采掘装备的技术应用领域，具体是一种煤巷多维度、协同支护方法。


背景技术：

[0002]
2019年，我国建成120万吨及以上的大型煤矿1200余处，其中，千万吨级煤矿44处，在建和改扩建千万吨级煤矿35处，原煤产量由1978年的6.2亿吨增加至2019年的37.5亿吨，增加了5倍。随着大型化、智能化矿井不断建设与投产，生产能力的不断增大，对巷道掘进速度、质量、机械化以及智能化程度提出了更高的要求。相关资料显示，2018年，我国煤矿新掘巷道长度约为12000公里/年，掘进长度全球第一。但是，在如此巨大的巷道掘进规模背景下，采掘工作面比例仍旧维持在1：3.1左右；掘进机械化程度由1978年的14.5%，提高到54.1%，仅增加了2.7倍。由此可见，相对煤矿开采技术与装备的发展，掘进技术装备与工艺发展缓慢，采掘比例的失衡正逐步成为困扰我国煤矿高产高效的主要因素，规模化矿井对巷道快速掘进更有着迫切需求。
[0003]
当前，煤巷机械化掘进工艺主要有3种：掘进机综合机械化掘进工艺、连续采煤机-锚杆钻车双巷掘进工艺、掘锚一体化快速掘进工艺。其中掘锚一体化快速掘进工艺的核心装备是掘锚一体机、锚杆转载机组或跨骑式锚杆钻机，在大断面、长距离的单巷掘进中具有明显优势，代表了国内外最高技术水平。目前，在国内煤矿大力推行智能化矿井建设的大背景下，国内不同地质条件的矿区如煤层地质赋存最好的神东矿区、中等偏上的榆林等陕北矿区以及条件中等的新疆伊犁矿区、关中矿区或两淮矿区，已经在使用或者正引进国产掘锚机，在神东矿区的最好条件下取得了3088m/月的国内单进最好成绩。
[0004]
掘锚一体机以及后配套装备的发展已经能满足大部分不同地质条件、生产条件的巷道掘进要求，能适应的空顶距已经可以小到1m以内，各种个性化的锚护装备、运输装备的出现，保证了在掘进过程中各个环节的机械化需求，然而对于各个环节工艺协同，缩短单个循环时间，尽可能实现各个工序平行作业，滞后锚护实现实时监测预警等方面仍然有待改进，因此发明多维度、协同支护方法，全方位指导与提升掘锚一体机成套装备的支护效率，显得尤为必要。


技术实现要素：

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本发明利用掘锚一体机、锚杆转载机组等现行先进的掘锚装备，实现多排多臂分段平行支护，迎头采用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。解决现有煤巷快速掘进装备与工艺中缺乏工艺优化方法与准则，进一步挖掘快掘潜能、释放生产力的问题；解决锚杆锚索滞后支护存在监测与来压预警缺失的问题；解决锚杆锚索变形匹配、预应力匹配盲目性的问题；解决巷道掘进施工、围岩监测与调整改进工艺相互脱节的问题。具体是一种煤巷多维度、协同支护方法。
[0006]
本发明采取以下技术方案：一种煤巷多维度、协同支护方法，包括以下步骤。
[0007]
s100～将整条巷道划分为两个区段，分别是快掘工艺试验段i和快速掘进段ii，快掘工艺试验段i为计划掘进巷道的开端且长度为50m～100m的一段巷道；快速掘进段ii为计划掘进巷道除快掘工艺试验段i外，剩余巷道设计的全部长度。
[0008]
s200～在快掘工艺试验段i内继续划分，将顶板划分为：顶板临时支护区、掘锚机顶板锚护区和运锚机顶板锚护区；将两帮划分为：空帮区、掘锚机巷帮锚护区、运锚机巷帮锚护区和巷帮人工锚护区。
[0009]
s300～在快掘工艺试验段i进行掘进的同时进行巷道分组监测。
[0010]
s400～对围岩监测数据分析。
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s500～锚杆锚索变形匹配。
[0012]
s600～锚杆锚索预紧力动态匹配。
[0013]
s700～快速掘进循环作业：在快速掘进段ii按照上述实现快速掘进，若地质条件仍与工艺试验段i类似，则采用上述方法进行掘进，若地质条件有较大变化时，应重新按上述步骤s100～s600实施，探索出快掘装备在新地质条件下的掘支规律后，重新实施快速掘进，循环往复直至该条巷道掘进完毕。
[0014]
步骤s200中，顶板临时支护区自掘进工作面开始，至紧邻掘进工作面第一排锚杆结束，长度为最大空顶距或者最小空顶距，该范围内没有永久支护，局部有掘锚机临时支护；掘锚机顶板锚护区自掘锚机顶板钻臂开始锚护顶板的断面位置开始，至运锚机顶板钻臂开始锚护顶板的断面位置结束，长度为7m～11m，该顶板范围内掘锚机锚护部分锚杆；运锚机顶板锚护区自运锚机顶板钻臂开始锚护顶板的断面位置开始，至快掘工艺试验段开始位置结束，长度为40m～90m，该顶板范围内锚杆、锚索已按设计要求全部锚护；空帮区自掘进工作面开始，至紧邻掘进工作面第一排帮锚杆结束，该范围内没有永久支护；掘锚机巷帮锚护区自掘锚机侧帮钻臂开始锚护的断面位置开始，至运锚机侧帮钻臂开始锚护侧帮的断面位置结束，长度通常为10m～13m，该侧帮范围内掘锚机锚护部分帮锚杆；运锚机巷帮锚护区自运锚机侧帮钻臂开始锚护侧帮的断面位置开始，至人工开始锚护侧帮底部锚杆的断面位置结束，长度为3m～6m，该顶板范围内在原有部分帮锚杆的基础上增加运锚机锚护的帮锚杆；巷帮人工锚护区自人工开始锚护侧帮的断面位置开始，至快掘工艺试验段开始位置结束，长度通常为30m～80m。
[0015]
步骤s300中，每组监测分为矿压监测站i和矿压监测站ii，矿压监测站i的位置为巷道中设计锚索锚护位置，矿压监测站ii的位于矿压监测站i的紧邻掘进工作面一侧的锚杆支护断面，监测掘锚机锚护的顶板中部的圆钢锚杆、左帮顶部玻璃钢锚杆以及右帮顶部圆钢锚杆受力情况；在掘锚机顶板锚护区时，监测围岩表面位移收敛量、顶板离层位移与速度、帮部位移与速度，待巷道顶板进入运锚机顶板锚护区范围后，运锚机锚护锚索时增加锚索受力监测。
[0016]
步骤s300中，矿压监测站i的断面上，巷道顶板、底板以及两帮的三等分点上各布置2个围岩表面位移监测点，顶板中部位置布置顶板离层仪监测点，两帮的中部位置布置多点位移计监测点，顶部锚索位置布置锚索测力计监测点；矿压监测站ii的断面上掘锚机锚护顶板及两帮的左帮玻璃钢锚杆、顶板圆钢锚杆和右帮圆钢锚杆位置布置锚杆测力计监测点。
[0017]
步骤s400采取以下方法，根据监测点收集的数据，进行分析整理，同一观测量平均
取值，绘制围岩移动量、围岩应力、顶板及两帮离层量与至掘进工作面距离的关系曲线，分析监测数据有无异常波动或尖点突变对整个掘进过程起到来压预警作用。
[0018]
步骤s500采取以下方法，将掘进巷道实际采用的各个锚杆、锚索在不同轴向张拉力范围内对应的延伸长度在实验室进行测量，并将结果记录成标准对比卡；通过在矿压监测站i、矿压监测站ii上的锚索测力计与锚杆测力计分别测得锚索和各个锚杆的轴向张拉力；将井下实测的左帮玻璃钢锚杆、顶板圆钢锚杆、右帮圆钢锚杆与锚索的轴向张拉力与标准卡进行对比，获取其延伸长度，为达到理想的支护效果，使各个锚杆与锚索变形能力相匹配，调整运锚机顶板与巷帮锚护区后的锚杆锚索的延伸率或预紧力，使支护过程同步承载，缩小锚杆与锚索的延伸长度差，大幅提高适应围岩变形的能力。
[0019]
步骤s600采取以下方法，在巷道断面所有支护体锚护完毕后，根据围岩表面位移收敛量、顶板离层位移与速度、帮部位移与速度、锚杆锚索受力的监测值判断围岩变形的剧烈变化期、平稳期。剧烈变化期内，据实际情况调整各个锚杆预紧力为原设计值的1.05～1.15倍，锚索预紧力为原设计值的0.9～1.0倍，围岩变形平稳期内，调整各个锚杆预紧力为原设计值的0.9～1.0倍，锚索预紧力为原设计值的1.05～1.1倍。
[0020]
与现有技术相比，本发明基于目前成熟的快掘装备系统，应用范围广、实践价值高，是一种在快掘系统安全可靠、工艺合理、矿压规律明确的支护工艺方法。
附图说明
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图1为本发明的巷道分区支护示意图；图2为本发明的巷道区段划分示意图；图3为本发明的联合监测方案测点布置图i；图4为本发明的联合监测方案测点布置图ii；图中：1-巷道左帮；2-巷道顶板；3-巷道右帮；4-巷道顶板与帮部交线；5-巷道底板与帮部交线；6-掘锚机顶板钻臂位置；7-掘锚机侧帮钻臂位置；8-运锚机顶板钻臂位置；9-掘锚机侧帮钻臂位置；10-顶板临时支护区；11-掘锚机顶板锚护区；12-运锚机顶板锚护区；13-空帮区；14-掘锚机巷帮锚护区；15-运锚机巷帮锚护区；16-巷帮人工锚护区；17-矿压监测站i；18-矿压监测站ii；19-掘锚机；20-掘锚机侧帮钻臂；21-掘锚机顶板钻臂；22-运锚机；23-运锚机顶板钻臂；24-运锚机侧帮钻臂；25-可弯曲胶带输送机；26-掘进工作面；27-顶部锚索；28-锚索测力计；29-顶板离层仪；30-围岩表面位移监测点；31-多点位移计；32-左帮中部玻璃钢锚杆；33-顶板顶部圆钢锚杆；34-右帮顶部圆钢锚杆；35-锚杆测力计。
具体实施方式
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一种煤巷多维度、协同支护方法，包括以下步骤，s100～将整条巷道划分为两个区段，分别是快掘工艺试验段i和快速掘进段ii，快掘工艺试验段i为计划掘进巷道的开端且长度为50m～100m的一段巷道；快速掘进段ii为计划掘进巷道除快掘工艺试验段i外，剩余巷道设计的全部长度；s200～在快掘工艺试验段i内继续划分，将顶板划分为：顶板临时支护区10、掘锚机顶板锚护区11和运锚机顶板锚护区12；将两帮划分为：空帮区13、掘锚机巷帮锚护区14、运锚机巷帮锚护区15和巷帮人工锚护区16；顶板临时支护区10自掘进工作面26开始，至紧邻掘
进工作面26第一排锚杆结束，长度为最大空顶距或者最小空顶距，该范围内没有永久支护，局部有掘锚机19临时支护；掘锚机顶板锚护区11自掘锚机顶板钻臂21开始锚护顶板的断面位置开始，至运锚机顶板钻臂23开始锚护顶板的断面位置结束，长度为7m～11m，该顶板范围内掘锚机19锚护部分锚杆；运锚机顶板锚护区12自运锚机顶板钻臂23开始锚护顶板的断面位置开始，至快掘工艺试验段开始位置结束，长度为40m～90m，该顶板范围内锚杆、锚索已按设计要求全部锚护；空帮区13自掘进工作面26开始，至紧邻掘进工作面26第一排帮锚杆结束，该范围内没有永久支护；掘锚机巷帮锚护区14自掘锚机侧帮钻臂20开始锚护的断面位置开始，至运锚机侧帮钻臂24开始锚护侧帮的断面位置结束，长度通常为10m～13m，该侧帮范围内掘锚机19锚护部分帮锚杆；运锚机巷帮锚护区15自运锚机侧帮钻臂24开始锚护侧帮的断面位置开始，至人工开始锚护侧帮底部锚杆的断面位置结束，长度为3m～6m，该顶板范围内在原有部分帮锚杆的基础上增加运锚机锚护的帮锚杆；巷帮人工锚护区16自人工开始锚护侧帮的断面位置开始，至快掘工艺试验段开始位置结束，长度通常为30m～80m。
[0023]
s300～在快掘工艺试验段i进行掘进的同时进行巷道分组监测；每组监测分为矿压监测站i17和矿压监测站ii18，矿压监测站i17的位置为巷道中设计锚索锚护位置，矿压监测站ii18的位于矿压监测站i17的紧邻掘进工作面26一侧的锚杆支护断面，监测掘锚机锚护的顶板中部圆钢锚杆33、左帮顶部玻璃钢锚杆32以及右帮顶部圆钢锚杆34受力情况；在掘锚机顶板锚护区11时，监测围岩表面位移收敛量、顶板离层位移与速度、帮部位移与速度，待巷道顶板进入运锚机顶板锚护区12范围后，运锚机22锚护锚索时增加锚索受力监测。
[0024]
矿压监测站i17的断面上，巷道顶板、底板以及两帮的三等分点上各布置2个围岩表面位移监测点30，顶板中部位置布置顶板离层仪29监测点，两帮的中部位置布置多点位移计31监测点，顶部锚索27位置布置锚索测力计监测点28；矿压监测站ii18的断面上掘锚机锚护顶板及两帮的左帮玻璃钢锚杆32、顶板圆钢锚杆33和右帮圆钢锚杆34位置布置锚杆测力计35监测点。
[0025]
s400～对围岩监测数据分析；根据掘进巷道的围岩表面位移监测点、顶板离层仪监测点、两帮多点位移计监测点、锚杆与锚索测力计监测点收集的数据，进行分析整理，同一观测量平均取值，绘制围岩移动量、围岩应力、顶板及两帮离层量与至掘进工作面距离的关系曲线，分析监测数据有无异常波动或尖点突变对整个掘进过程起到来压预警作用，并及时采取相应措施，防止围岩破碎、冒顶片帮。
[0026]
s500～锚杆锚索变形匹配；将掘进巷道实际采用的各个锚杆、锚索在不同轴向张拉力范围内对应的延伸长度在实验室进行测量，并将结果记录成标准对比卡；通过在矿压监测站i17、矿压监测站ii18上的锚索测力计28与锚杆测力计35分别测得锚索和各个锚杆的轴向张拉力；将井下实测的左帮玻璃钢锚杆32、顶板圆钢锚杆33、右帮圆钢锚杆34与锚索27的轴向张拉力与标准卡进行对比，获取其延伸长度，为达到理想的支护效果，使各个锚杆与锚索变形能力相匹配，调整运锚机顶板与巷帮锚护区后的锚杆锚索的延伸率或预紧力，使支护过程同步承载，缩小锚杆与锚索的延伸长度差，大幅提高适应围岩变形的能力。
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s600～锚杆锚索预紧力动态匹配；在巷道断面所有支护体锚护完毕后，根据围岩表面位移收敛量、顶板离层位移与速度、帮部位移与速度、锚杆锚索受力的监测值判断围岩变形的剧烈变化期、平稳期。剧烈变化期内，据实际情况调整各个锚杆预紧力为原设计值的1.05～1.15倍，锚索预紧力为原设计值的0.9～1.0倍，围岩变形平稳期内，调整各个锚杆预
紧力为原设计值的0.9～1.0倍，锚索预紧力为原设计值的1.05～1.1倍。
[0028]
s700～快速掘进循环作业：在快速掘进段ii按照上述实现快速掘进，若地质条件仍与工艺试验段i类似，则采用上述方法进行掘进，若地质条件有较大变化时，应重新按上述步骤s100～s600实施，探索出快掘装备在新地质条件下的掘支规律后，重新实施快速掘进，循环往复直至该条巷道掘进完毕。