CN108386199B - 高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进方法及装置，属于安全和采矿领域。该装置由防突盾构壳体、掘削系统、排瓦斯出煤器、支护防护系统、瓦斯抽放系统、泡沫防尘防爆系统等组成。防突盾构壳体起支撑各系统的作用，与巷道围岩紧密接触防止围岩变形及突出，掘削系统的刀盘掘削工作面前方的煤层或岩层，煤岩由排瓦斯出煤器输出到转载机或皮带上，支护防护系统起到铺网、支撑和打眼锚固围岩的作用，推进系统负责壳体及其它各系统向前移动和壳体、刀盘转向，双层壳体间及螺旋出煤器内的瓦斯被抽放。该装置有掘进速度快，防止煤与瓦斯突出和瓦斯喷出到巷道空间，保证安全掘进等优点。适用于各类煤矿巷道掘进，尤其适合于高瓦斯或突出煤层巷道直接掘进。

Description

高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高瓦斯突出煤层的掘进方法及装置，尤其是一种适用于在无需采取突出防治措施的情况下，快速高效安全掘进危险煤层的高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进方法及装置，属于安全和采矿技术领域。

背景技术

煤与瓦斯突出(以下简称突出)是我国煤矿开采过程的主要灾害，主要影响因素有煤层瓦斯压力或含量、地应力和煤的物理力学性质，通常情况下煤层瓦斯压力或含量超过一定值后就有发生煤与瓦斯突出的危险，而且采深越大，构造越复杂，应力越高，煤体越软，越容易发生突出。突出会伴随大量瓦斯和碎煤突出到采掘空间中，造成巷道堵塞、充满高浓度瓦斯、破坏通风系统和机械等，会造成工作场所人员伤亡等，也易引发瓦斯爆炸等次生重大灾害。在预防突出方面，须采取区域四位一体综合防突措施和局部四位一体综合防突措施，防治主要采用钻孔瓦斯排放、瓦斯抽放、水力措施卸压增透抽放和保护层开采卸压抽放等措施。近年来，我国煤与瓦斯仍然时有发生，而且越来越复杂。我国对预防煤与瓦斯突出的要求不断提高，要求必须先执行区域四位一体综合防突措施，降低煤层瓦斯压力和含量，消除突出危险性，并经检验合格后，才能在煤层中掘进巷道。目前，我国高瓦斯突出煤层巷道掘进主要存在消突难度大、工程量大、治理瓦斯费用高、掘进速度非常慢和安全性不够高等问题。对于掘过巷道来说，适用的区域措施主要有顶底板岩巷穿层钻孔预抽、保护层开采卸压抽放和有条件的煤巷条带预抽等，这些工程及预测、防治、效检等措施的执行需占用大量的人力、物力和财力，严重影响采掘平衡，使煤矿生产费用大幅度提高。目前，我国高瓦斯突出煤层巷道的掘进速度只有30～100m/月，即使是采取完区域措施后，也要求在掘进过程中采取区域验证和局部四位一体措施，速度一般不超过150m/月。另外，掘进巷道仍然受到瓦斯、突出及爆炸等威胁。

随着自动化、智能化开采技术的发展，也需要发展高瓦斯、突出、突水、冲击危险煤层的高效安全智能化掘进技术及系统。

如何能快速、安全、高效的直接掘进高瓦斯突出煤层巷道，是急待解决的难题，对于保障煤矿收益和高效安全生产、发展无人采掘技术等非常重要。

TBM隧道掘进机和盾构机可以快速掘进隧道和巷道，速度可达1000m/月左右，速度非常快，安全性好。但传统的TBM隧道掘进机和盾构机不考虑瓦斯大量涌出、喷出和煤与瓦斯突出及预防等，不考虑从出螺旋出渣器中抽放瓦斯，也不考虑预防瓦斯爆炸等。传统的TBM隧道掘进机和盾构机支护采用预制好的混凝土管片支护，不考虑掘进后从巷旁煤壁打钻抽采瓦斯、巷道后期受采动影响变形等情况。因此，传统的TBM隧道掘进机和盾构机无法直接在高瓦斯突出煤层中使用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进方法及装置，通过矿用新型盾构在无需采取突出防治措施的情况下直接掘进高瓦斯突出危险煤层，具有快速、高效、安全等优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明的高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进方法及装置：

高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进装置，包括掘削系统、推进系统、排水系统、通风系统和控制台，还包括防突盾构壳体、支护防护系统、瓦斯抽放系统和泡沫防尘防爆系统；所述的掘削系统固定在防突盾构壳体上，防突盾构壳体末端设置支护防护系统；防突盾构壳体内联接有排瓦斯出煤器、泡沫防尘防爆系统和瓦斯抽放系统，支护防护系统的后端联接有推进系统；所述排瓦斯出煤器的入口与防突盾构壳体的下部联接，所述泡沫防尘防爆系统的泡沫管出口和瓦斯抽放系统的瓦斯抽放管入口位于防突盾构壳体的上部；所述的通风系统和控制台位于支护防护系统的后部。

所述的防突盾构壳体包括双层壳体和支撑隔板，支撑隔板支撑双层壳体和掘削系统，支撑隔板与掘削系统的刀盘之间为气水渣室，支撑隔板后方为人员操作空间，支撑隔板的上部设有抽气孔和泡沫入口，支撑隔板的底部连接有排水口和与排瓦斯出煤器入口相连的出口。

所述的双层壳体包括带筛网的外壳、隔离内壳和两者之间由隔板构成的纵横向隔离腔体，隔离内壳上有抽气孔。

所述的瓦斯抽放系统包括与抽采网管相连的瓦斯抽放管，通过瓦斯抽放管分别连接防突盾构壳体中气水渣室的抽气孔、纵横向隔离腔体的抽气孔和排瓦斯出煤器的出气口，抽放瓦斯，防止掘进工作面前方瓦斯喷出和涌出到操作空间造成巷道瓦斯超限。

所述的支护防护系统包括支撑行架、锚杆钻机、铺网器、锚杆、锚索和护网，铺网器与防突盾构壳体末端连接，铺网器上固定有能够展开的护网；支撑行架支撑护网和围岩，由锚杆和锚索紧固作用护网并锚固煤岩体，防止巷道围岩变形及突出。

所述的排瓦斯出煤器除包含管状腔体和设在管状腔体内的螺旋杆，所述的管状腔体中部及上方设有带筛网的出气口，管状腔体中部下方有带筛网的排水口。

所述的泡沫防尘防爆系统包括泡沫管和与泡沫管相连的制泡机，泡沫管连接在支撑隔板上部的泡沫入口，通过泡沫管向气水渣室内释放炮沫，起到降尘和防止煤尘瓦斯爆炸的作用。

使用高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进装置的掘进方法，包括以下步骤：

a.在已有的岩石巷道或煤层巷道中安装高瓦斯突出煤层盾构高效安全掘进装置，掘削系统的刀盘朝向高瓦斯突出煤层的待掘巷道方向；

b.推进系统的左、右及顶、底支撑脚支撑于锚网及煤岩壁上，操作人员操作控制台，控制推进系统的推进油缸推进支撑行架、防突盾构壳体和掘削系统前移，并控制掘进方向，掘削系统的刀盘由刀盘电机带动旋转切削煤岩，切削下的煤岩、涌出的瓦斯和水进入气水渣室，瓦斯通过气水渣室上部的抽气孔被抽走，渣水经刀盘上的搅拌棒搅拌后进入排瓦斯出煤器，排瓦斯出煤器内的瓦斯通过出气口由抽放系统抽走，产生的水通过排水口进入排水系统，煤渣由出渣口排出到转载机或皮带上；

c.掘削系统前行掘进时，泡沫防尘防爆系统工作，通过泡沫管向气水渣室内释放炮沫，起到降尘和防止煤尘瓦斯爆炸的作用；

d.掘削系统前行掘进时，通过支护防护系统进行铺网作业，掘进停止后，在支撑行架的保护下，由锚杆钻机打锚杆眼和锚索眼进行锚固，锚固完成后收回并前移左、右及顶、底支撑脚，完成一个掘进锚固循环；支撑行架能够让锚杆和锚索末端及托盘底座通过，而不影响支护及承载；

e.通过通风系统向作业空间持续供风，保证作业人员呼吸、控制作业空间温度，及排出后部巷道煤壁涌出的瓦斯；

f.无需采取突出防治措施的情况下直接快速高效安全掘进突出危险煤层，完成高瓦斯突出煤层巷道掘进、支护、安全防护工作，工作面前方煤体由刀盘支撑固定和由气水渣室限制瓦斯喷出，围岩煤体由双层壳体、护网及支撑行架支撑，限制变形，掘进面、落煤和围岩煤壁涌出的瓦斯由抽放系统抽放，掘进过程及完成支护后能够防止瓦斯大量涌出、喷出和煤与瓦斯突出，保证安全高效掘进。

有益效果：由于采用了上述方案，本发明通过矿用新型盾构在无需采取突出防治措施的情况下快速高效安全掘进突出危险煤层，适用于各类煤矿巷道掘进，尤其适合于高瓦斯或突出煤层巷道掘进。可在不预先采取瓦斯抽放措施及效检工作的情况下，直接掘进高瓦斯或突出煤层，避免了采取顶底板岩巷、抽放钻孔、水力措施、开采不具有开采价值的保护层等工程及预测、防治和效检等措施，使得辅助工程量大幅度减少，巷道掘进速度加快，费用降低，可有效保障采掘接替；掘进过程中，工作面前方煤体由刀盘支撑固定和由气水渣室限制喷出，围岩煤体由双层壳体和网及支撑行架支撑、限制变形，掘进面、落煤和围岩煤壁涌出的瓦斯由抽放系统抽放，掘进及完成支护后能够防止瓦斯大量涌出、喷出和煤与瓦斯突出，保证了巷道掘进的安全。其主要优点：可直接掘进高瓦斯突出煤层，具有快速、高效、安全、后期投入小、能有效解决采掘接替紧张问题等优点。适用范围广，适用于各类煤矿巷道掘进，尤其适合于高瓦斯或突出煤层巷道掘进。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图。

图中：1-刀盘；2-气水渣室；3-双层壳体；4-泡沫管；5-刀盘电机；6-瓦斯抽放管；7-护网；8-铺网器；9-支撑行架；10-锚杆；11-推进油缸；12-锚索；13-支撑脚；14-通风系统；15-出气口；16-排水口；17-螺旋杆；18-排水管；19-管状腔体；20-锚杆钻机；21-皮带；22-搅拌棒；23-控制台；24-支撑隔板；25-外壳；26-隔离内壳；27-纵横向隔离腔体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进行进一步的说明：

如图1所示，本发明的高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进装置，包括掘削系统、推进系统、排水系统、通风系统14和控制台23，还包括防突盾构壳体、支护防护系统、瓦斯抽放系统和泡沫防尘防爆系统；所述的掘削系统包括刀盘电机5、轴承和刀盘1，刀盘电机5通过轴承带动刀盘1旋转，掘削工作面前方的煤岩；所述的推进系统包括支撑脚13和推进油缸11，支撑脚13支撑于护网7和煤岩壁上，推进油缸11控制和推动掘削系统及防突盾构壳体等各系统前进；所述的排水系统包括排水管18，通过排水管18连接气水渣室2和出煤器的排水口16，将工作面前方的水及时排出。所述的通风系统14包括局部通风机和通风风筒，通过通风风筒向操作空间供风，供工作人员呼吸、调节温度和排出工作面后方煤壁涌出的瓦斯。

所述的掘削系统固定在防突盾构壳体上，防突盾构壳体末端设有支护防护系统；防突盾构壳体内联接有排瓦斯出煤器、泡沫防尘防爆系统和瓦斯抽放系统，支护防护系统的支撑行架9后端联接有推进系统；所述排瓦斯出煤器的入口与防突盾构壳体的下部联接，所述泡沫防尘防爆系统的泡沫管4出口和瓦斯抽放系统的瓦斯抽放管6入口位于防突盾构壳体的上部；所述的通风系统和控制台23位于支护防护系统的后部。控制台23为整个装置的控制和监测中心，操作人员通过控制台23控制突出盾构掘进装置的各项工作，包括工作面掘进、支护和各系统前移等，工作人员也可在控制台23上查看各项工作参数。控制台也可与远程监控中心连接，实现远程监测和控制。

所述的防突盾构壳体包括双层壳体3和支撑隔板24，支撑隔板24支撑双层壳体3和掘削系统，支撑隔板24与掘削系统的刀盘之间为气水渣室，支撑隔板24后方为人员操作空间，支撑隔板24的上部设有抽气孔和泡沫入口，支撑隔板的底部连接有排水口和与排瓦斯出煤器入口相连的出口。

所述的双层壳体包括带筛网的外壳25、隔离内壳26和两者之间由隔板构成的纵横向隔离腔体27，隔离内壳26上有抽气孔。

所述的瓦斯抽放系统包括与抽采网管相连的瓦斯抽放管，通过瓦斯抽放管分别连接防突盾构壳体中气水渣室的抽气孔、纵横向隔离腔体的抽气孔和排瓦斯出煤器的出气口15，抽放瓦斯，防止掘进工作面前方瓦斯喷出和涌出到操作空间造成巷道瓦斯超限。

所述的支护防护系统包括支撑行架9、锚杆钻机20、铺网器8、锚杆10、锚索12和护网7，铺网器8与防突盾构壳体末端连接，铺网器8上固定有能够展开的护网；支撑行架9支撑护网和围岩，由锚杆10和锚索12紧固作用护网并锚固煤岩体，防止巷道围岩变形及突出。

所述的排瓦斯出煤器除包含管状腔体19和设在管状腔体内的螺旋杆17，所述的管状腔体19中部及上方设有带筛网的出气口15，管状腔体19中部下方有带筛网的排水口16。

所述的泡沫防尘防爆系统包括泡沫管4和与泡沫管4相连的制泡机，泡沫管4连接在支撑隔板24上部的泡沫入口，通过泡沫管4向气水渣室2内释放炮沫，起到降尘和防止煤尘瓦斯爆炸的作用。

所述的高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进装置的掘进方法，包括以下步骤：

a.在已有的岩石巷道或煤层巷道中安装高瓦斯突出煤层盾构高效安全掘进装置，掘削系统的刀盘朝向高瓦斯突出煤层的待掘巷道方向；

b.推进系统的左、右及顶、底支撑脚13支撑于锚网及煤岩壁上，操作人员操作控制台，控制推进系统的推进油缸11推进支撑行架9、防突盾构壳体和掘削系统前移，并控制掘进方向，掘削系统的刀盘1由刀盘电机5带动旋转切削煤岩，切削下的煤岩、涌出的瓦斯和水进入气水渣室，瓦斯通过气水渣室上部的抽气孔被抽走，渣水经刀盘上的搅拌棒22搅拌后进入排瓦斯出煤器，排瓦斯出煤器内的瓦斯通过出气口由抽放系统抽走，产生的水通过排水口16进入排水系统，煤渣由出渣口排出到转载机或皮带21上运输出巷道；

c.掘削系统前行掘进时，泡沫防尘防爆系统工作，通过泡沫管4向气水渣室2内释放炮沫，起到降尘和防止掘进摩擦火花引燃煤尘瓦斯爆炸的作用；

d.掘削系统前行掘进时，通过支护防护系统进行铺网作业，掘进停止后，在支撑行架9的保护下，由锚杆钻机20向煤岩体内打钻孔，采用锚杆或锚索锚固煤岩体，锚固完成后收回并前移左、右及顶、底支撑脚13，完成一个掘进锚固循环；支撑行架9能够让锚杆10和锚索12末端及托盘底座通过，而不影响支护及承载；

e.通过通风系统向作业空间持续供风，保证作业人员呼吸、控制作业空间温度，及排出后部巷道煤壁涌出的瓦斯；

f.无需采取突出防治措施的情况下直接快速高效安全掘进突出危险煤层，完成高瓦斯突出煤层巷道快速安全掘进、支护及安全防护工作：工作面前方煤体由刀盘1支撑固定和由气水渣室2限制瓦斯喷出，围岩煤体由双层壳体3、护网7及支撑行架9支撑，限制变形，掘进面、落煤和双层壳体支撑部分围岩煤壁涌出的瓦斯由抽放系统抽走，掘进过程及完成支护后能够防止瓦斯大量涌出、喷出和煤与瓦斯突出，保证安全高效掘进。

为防止锚固后的煤体发生突出，应根据地应力、支撑压力、煤岩体强度及瓦斯压力大小设计锚索、锚杆支护参数，锚固煤岩体。地应力越大，支撑压力越大，煤体越软件，瓦斯压力越大，需要的锚索、锚杆长度越长、越粗，锚杆、锚索间距越小，护网强度越高。

Claims (7)

1.一种高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进装置，包括掘削系统、推进系统、排水系统、防突盾构壳体、通风系统（14）和控制台（23），其特征在于：还包括支护防护系统、瓦斯抽放系统和泡沫防尘防爆系统；所述的掘削系统固定在防突盾构壳体上，防突盾构壳体末端设置支护防护系统；防突盾构壳体内联接有排瓦斯出煤器、泡沫防尘防爆系统和瓦斯抽放系统，支护防护系统的后端联接有推进系统；所述排瓦斯出煤器的入口与防突盾构壳体的下部联接，所述泡沫防尘防爆系统的泡沫管出口和瓦斯抽放系统的瓦斯抽放管入口位于防突盾构壳体的上部；所述的通风系统（14）和控制台（23）位于支护防护系统的后部；

所述的防突盾构壳体包括双层壳体（3）和支撑隔板（24），支撑隔板（24）支撑双层壳体（3）和掘削系统，支撑隔板（24）与掘削系统的刀盘（1）之间为气水渣室（2），支撑隔板后方为人员操作空间，支撑隔板（24）的上部设有抽气孔和泡沫入口，支撑隔板（24）的底部连接有排水口和与排瓦斯出煤器入口相连的出口。

2.根据权利要求1所述的高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进装置，其特征在于：所述的双层壳体（3）包括带筛网的外壳（25）、隔离内壳（26）和两者之间由隔板构成的纵横向隔离腔体（27），隔离内壳（26）上有抽气孔。

3.根据权利要求1所述的高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进装置，其特征在于：所述的瓦斯抽放系统包括与抽采网管相连的瓦斯抽放管（6），通过瓦斯抽放管（6）分别连接防突盾构壳体中气水渣室（2）的抽气孔、纵横向隔离腔体（27）的抽气孔和排瓦斯出煤器的出气口（15），抽放瓦斯，防止掘进工作面前方瓦斯喷出和涌出到操作空间造成巷道瓦斯超限。

4.根据权利要求1所述的高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进装置，其特征在于：所述的支护防护系统包括支撑行架（9）、锚杆钻机（20）、铺网器（8）、锚杆（10）、锚索（12）和护网（7）；所述铺网器（8）与防突盾构壳体末端连接，铺网器（8）上固定有能够展开的护网；支撑行架（9）支撑护网和围岩，由锚杆（10）和锚索（12）紧固作用护网（7）并锚固煤岩体，防止巷道围岩变形及突出。

5.根据权利要求1所述的高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进装置，其特征在于：所述的排瓦斯出煤器包含管状腔体（19）和设在管状腔体（19）内的螺旋杆（17），所述的管状腔体（19）中部及上方设有带筛网的出气口（15），管状腔体（19）中部下方有带筛网的排水口（16）。

6.根据权利要求 1所述的高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进装置，其特征在于：所述的泡沫防尘防爆系统包括泡沫管（4）和与泡沫管（4）相连的制泡机，泡沫管（4）连接在支撑隔板（24）上部的泡沫入口，通过泡沫管（4）向气水渣室（2）内释放炮沫，起到降尘和防止煤尘瓦斯爆炸的作用。

7.一种使用根据权利要求 1所述的高瓦斯突出煤层盾构安全高效掘进装置的掘进方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.在已有的岩石巷道或煤层巷道中安装高瓦斯突出煤层盾构高效安全掘进装置，掘削系统的刀盘朝向高瓦斯突出煤层的待掘巷道方向；

b.推进系统的左、右及顶、底支撑脚（13）支撑于锚网及煤岩壁上，操作人员操作控制台，控制推进系统的推进油缸（11）推进支撑行架（9）、防突盾构壳体和掘削系统前移，并控制掘进方向，掘削系统的刀盘（1）由刀盘电机（5）带动旋转切削煤岩，切削下的煤岩、涌出的瓦斯和水进入气水渣室（2），瓦斯通过气水渣室（2）上部的抽气孔被抽走，渣水经刀盘上的搅拌棒（22）搅拌后进入排瓦斯出煤器，排瓦斯出煤器内的瓦斯通过出气口由抽放系统抽走，产生的水通过排水口（16）进入排水系统，煤渣由出渣口排出到转载机或皮带（21）上；

c.掘削系统前行掘进时，泡沫防尘防爆系统工作，通过泡沫管（4）向气水渣室（2）内释放炮沫，起到降尘和防止煤尘瓦斯爆炸的作用；

d.掘削系统前行掘进时，通过支护防护系统进行铺网作业，掘进停止后，在支撑行架（9）的保护下，由锚杆钻机（20）打锚杆眼和锚索眼进行锚固，锚固完成后收回并前移左、右及顶、底支撑脚（13），完成一个掘进锚固循环；支撑行架（9）能够让锚杆（10）和锚索（12）末端及托盘底座通过，而不影响支护及承载；

e. 通过通风系统向作业空间持续供风，保证作业人员呼吸、控制作业空间温度，及排出后部巷道煤壁涌出的瓦斯；

f. 无需采取突出防治措施的情况下直接快速高效安全掘进突出危险煤层，完成高瓦斯突出煤层巷道掘进、支护、安全防护工作，工作面前方煤体由刀盘（1）支撑固定和由气水渣室（2）限制瓦斯喷出，围岩煤体由双层壳体（3）、护网（7）及支撑行架（9）支撑，限制变形，掘进面、落煤和围岩煤壁涌出的瓦斯由抽放系统抽放，掘进过程及完成支护后能够防止瓦斯大量涌出、喷出和煤与瓦斯突出，保证安全高效掘进。