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創新點
（1）數值模擬研究得出了掘進工作面圍巖應力、變形、破壞分佈特徵；提出了掘進工作面圍巖穩定性的主要影響因素。
（2）根據煤巷掘進工作面空頂距及自穩時間，對煤巷掘進工作面圍巖穩定性進行了分類，提出了煤巷可掘性的概念及分類；分析得出了巷道的可掘性、圍巖的可鑽性、可錨性及對掘進速度的影響。
（3）提出了提高煤巷掘進速度的主要技術途徑，包括確定適合的掘進模式，最佳化掘進工藝，優選掘進裝備；確定合理的支護形式與引數，適當降低支護密度；掘進全系統整體配套與協同。
（4）提出了煤巷掘進自動化、智慧化技術總體架構，及應解決的關鍵技術：自動化、智慧化截割、臨時支護、自動化錨杆施工、超前探測、定位與導航、掘進工作面圍巖穩定性與環境監測及大資料分析等，並指出了我國煤巷掘進自動化、智慧化的發展路徑。
作 者
康紅普1,2,3，姜鵬飛1,2,3，高富強1,2,3，王子越1,2,3，劉 暢1,2,3，楊建威1,2,3
單 位
1. 中煤科工開採研究院有限公司；2. 煤炭科學研究總院 開採研究分院；3. 煤炭資源高效開採與潔淨利用國家重點實驗室
研究背景
巷道掘進與支護是井工開採的關鍵技術之一,是保證煤礦安全、快速、高效建設與生產的必要基礎。我國井工煤礦每年新掘進的巷道總長度超過12000km,其中煤、半煤巖巷道佔比80%以上,是我國規模最大的地下工程。巷道掘進速度、效率、成本顯著影響礦井的產量與效益。
與非煤礦山巷道、交通隧道等相比,煤礦巷道處於煤系沉積岩地層中,不僅圍巖強度低,而且多數圍巖結構面發育、穩定性較差。同時,隨著煤礦開採深度不斷增加,高應力巷道越來越多;隨著大型採掘裝置的廣泛採用及通風的要求,巷道斷面越來越大;隨著採煤工作面推進速度和產量的不斷提高,採掘接續緊張的局面日益突出,要求在保證巷道安全與支護效果的條件下,顯著提高巷道掘進速度;另外,為降低煤炭生產成本、提高礦井效益,巷道掘進與支護成本不能過高。所有這些因素給巷道掘進與支護提出更高的要求。
掘進包括割煤、運輸、支護(臨時支護、永久支護)、通風、降塵等多個工序,每個工序及各工序之間的相互協同均影響成巷速度。我國煤巷掘進技術、裝備及機械化水平明顯落後於採煤技術與裝備。目前,全國綜掘工作面平均月進尺不到200m,掘進隊與綜採隊平均配比為3.1∶1,採掘比例嚴重失衡。
目前,煤巷普遍採用綜合機械化掘進,掘進裝置主要有3 種類型:懸臂式掘進機,連續採煤機及掘錨一體化機組。前2者掘進與支護分離,需配套單體錨杆鑽機、錨杆鑽車等支護施工裝置,而掘錨機組將割煤、運輸、臨時支護、永久支護設計為有機的整體,有利於實現掘支平行作業。錨杆、錨索支護是我國煤礦巷道的主體支護方式,已根據我國煤礦巷道地質與生產條件,開發出錨杆支護成套技術,廣泛應用於不同型別的巷道,取得良好的技術經濟效益。但仍然存在支護工序複雜、支護密度偏大、支護速度慢、用人多、效率低等問題急需解決。
摘 要
分析了煤礦巷道掘進技術與裝備現狀及存在的問題,採用數值模擬方法研究了掘進工作面圍巖應力、變形、破壞分佈特徵;分析了圍巖穩定性的主要影響因素,包括圍巖強度、圍巖結構及地應力等地質力學引數,巷道斷面尺寸、開挖方式、空頂距、掘進速度等掘進引數,及臨時支護、永久支護等。
巷道開挖後在掘進工作面頂角和巷道四角周圍出現應力集中區;圍巖位移、破壞在超前工作面一定位置開始出現,隨著遠離掘進工作面圍巖位移和破壞範圍不斷增大,達到2倍巷道寬度時基本穩定;煤層強度、地應力對圍巖變形與破壞的影響十分顯著;分步開挖的頂板下沉量及破壞程度明顯大於一次開挖;空頂距越大,圍巖破壞裂隙越多、分佈越廣;過快、過慢的掘進速度對圍巖穩定性均不利;掘進後安裝及時、主動、支護阻力大的臨時支護效果好;分次支護圍巖位移和裂隙場的擴充套件均大於一次支護,透過分次支護提高掘進速度是以影響錨杆支護效果為代價的,應限定在一定的圍巖條件。
根據煤巷掘進工作面空頂距及自穩時間,對煤巷掘進工作面圍巖穩定性進行了分類,並提出了相應的支護要求;提出煤巷可掘性的概念,根據被掘煤巖體條件,對煤巷可掘性進行了分類;分析了圍巖的可鑽性、可錨性及對掘進速度的影響。提出提高煤巷掘進速度的主要技術途徑:確定適合的掘進模式,最佳化掘進工藝,優選掘進裝備;確定合理的支護形式與引數,適當降低支護密度;掘進全系統整體配套與協同。
根據掘進工作面圍巖穩定性、可掘性、可鑽性及可錨性,提出煤巷掘進自動化、智慧化技術總體架構及應解決的關鍵技術:自動化、智慧化截割、臨時支護、自動化錨杆施工、超前探測、定位與導航、圍巖穩定性與環境監測及大資料分析等,最後提出我國煤巷掘進自動化、智慧化的發展路徑。
部分圖片
我國煤礦巷道掘進工藝與裝備
掘進工作面周圍應力分佈
掘進工作面周圍位移分佈
掘進工作面周圍破壞範圍分佈
圍巖三向應力變化曲線
巷道圍巖裂隙面積、破碎煤巖體積與至掘進工作面距離的關係
巷道表面位移與至掘進工作面距離的關係
巷道周圍破壞範圍分佈
斷層影響下巷道周圍破壞範圍分佈
斷層影響下巷道表面位移與至掘進工作面距離的關係曲線
不同地應力巷道周圍破壞範圍分佈
最大水平主應力斜交時平行巷道軸向水平剖面位移分佈
不同巷道寬度圍巖裂隙面積變化曲線
不同開挖方式巷道表面位移與至掘進工作面距離的關係
不同空頂距圍巖裂隙面積變化曲線
不同掘進速度的應力釋放率曲線
不同掘進速度圍巖裂隙面積變化曲線
不同臨時支護圍巖裂隙面積變化曲線
兩次錨杆錨索支護佈置
一次與兩次支護下巷道表面位移與至掘進工作面距離的關係曲線
基於RMR與Q值的巖體自穩時間估計
掘進智慧化總體架構
自動化噴塗臨時支護示意
樹脂錨杆施工工藝流程
基於深度學習的錨杆託板檢測
基於視覺感測的錨杆實時位姿解算原理示意
巷道三維鐳射掃描點雲分佈
作者簡介
康紅普，男，1965年11月16日生，山西五臺人，中國工程院院士，研究員，博士生導師，中國煤炭科工集團有限公司技術委員會主任、首席科學家，開採設計事業部黨委書記、總經理。獲國家科技進步獎和省部級科技獎勵20餘項，發表學術論文150餘篇。獲光華工程科技獎青年獎、孫越崎科技教育基金能源大獎、中國青年科技獎等獎勵，被授予全國勞動模範、全國傑出專業技術人才稱號，入選“萬人計劃”百千萬人才工程領軍人才。2015年當選中國工程院院士。
研究方向
巷道圍巖控制理論與技術
主要成果
長期從事煤礦巷道圍巖控制理論與技術研究工作，開發出以煤巖體地質力學測試為基礎，錨固與注漿為核心的煤礦巷道安全高效支護成套技術。在煤巖體地質力學測試方面，發明了煤礦井下煤巖體地質力學原位快速測試方法與儀器，完成了30多個煤礦區的井下實測，獲得了大量實測資料。揭示出煤礦井下地應力分佈規律，建立了估算地應力的公式，為礦井開拓、煤炭開採、巷道佈置及巷道支護設計提供了可靠的基礎。在煤礦巷道支護方面，全面、系統地研究了巷道圍巖變形與破壞規律、支護與圍巖相互作用，提出支護應力場、綜合應力場等概念，及預應力支護理論，開發出高強度、高剛度錨杆支護成套技術體系，為煤礦巷道提供了安全、高效的支護技術。針對破碎圍巖巷道，將注漿與錨固技術有機結合，開發出注漿錨杆與錨索，並組織開發了多種化學注漿材料，為破碎圍巖加固提供了有效方法；針對堅硬頂板與高應力圍巖，開發出定向水力壓裂技術與裝置，成為堅硬、高應力圍巖控制的有效途徑。研究成果已推廣應用於我國煤礦多個礦區，取得了顯著經濟社會效益，推動了我國煤礦巷道支護技術的改革與發展，提升了巷道圍巖控制技術水平。
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