CN115199284A - 一种敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿智能化建井中斜井掘进的安全高效智能围岩控制技术领域，公开了一种敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，包括护盾支护；掘进面超期地质探测，进行地质信息收集与智能评估，决定是否进行前钻探验证及注浆加固围岩等操作；钢拱架及钢筋网支护；智能化锚杆或锚索支护；仰拱块铺设底板支护以及智能化喷浆支护。本发明方法通过不良地质超前智能判识、不良地质围岩加固、围岩钢架、锚索、喷浆等综合控制技术，创建了岩石强度低、扰动敏感的软弱地层的斜井敞开式全断面掘进机掘进高效破岩、装备推进与支撑协同控制技术，将斜井施工变革为安全高效的智能化建井模式，降低工人劳动强度，改善作业环境，保障安全高效施工。
Description
技术领域
本发明属于煤矿智能化建井中斜井掘进的安全高效智能围岩控制技术领域，具体涉及一种敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法。
背景技术
传统的斜井建设以钻爆法为主，该方法凿井存在施工工序繁杂、工作面狭小、劳动强度大、机械化程度低、工作环境恶劣、工作效率低、安全风险大、通风阻力大等难点，且钻爆法对巷道围岩的扰动大，巷道表面不完整，普通钻爆凿井技术在工程稳定性、适用性和先进性方面处于质变拐点，这极大的促进了非爆破破岩钻井技术向自动化、数字化、清洁化和智能化方向的发展。机械化、自动化、无人化、信息化、智能化建井技术与装备成为重要的发展趋势，也是建井技术与装备面临的重大机遇与挑战。
矿山建井阶段的井巷工程构筑物作为进入地下空间开发和地下资源开采的必由通道或者咽喉，其机械化、无人化、信息化、智能化的建设技术是必然趋势，迫切需要创新研发复杂地质条件下的智能钻井装备与围岩控制技术，将钻井装备系统与围岩稳定控制系统的环境感知、多动作协同、分析计算及智能决策能力融入自动控制系统中，形成一个自主决策的智能化建井体系。
斜井大巷作为服务全矿井的巷道，其使用年限长，并且担负着整个矿井的运输、通风、行人，大巷的围岩稳定性就更加尤为重要。因此，保障大巷安全高效掘进机围岩的稳定性对整个矿井的安全高效、持续性开采具有重要的意义和价值。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
一种敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，包括以下步骤：
1）掘进前护盾支护：利用掘进机自带护盾进行裸露围岩临时支护；
2）掘进面超期地质探测，进行地质信息收集与智能评估，决定进一步的操作，具体如下：
i.若前方存在不良地质体（如断层、破碎带、地下水体等），采用机头架后面的多功能超前钻机进行超前钻探验证及注浆加固围岩；
ii. 若存在软弱围岩或破裂发育地层等不良地质，需采用掘进机（全断面掘进机）设备配置的超前管棚支护系统，提前对不良地质进行加固处理；
iii.对于井筒顶板不良地质或由节理切割与构造共同作用产生的碎裂结构地层，需采用钢筋排架系统，配合钢拱架支撑；
iv）在Ⅳ-Ⅴ级围岩地层施工时，仅靠现有的锚网喷+锚索支护难以保证井筒的安全，应增加砌碹结构；
3）钢拱架及钢筋网支护：随着掘进采用全断面掘进机上设置的钢拱架及钢筋网安装机，进行钢拱架及钢筋网的安装施工，控制裸露的围岩，并及时地处理危岩体；
4）智能化锚杆或锚索支护：由智能化控制平台控制锚杆钻机进行智能化锚杆或锚索施工，钻机由其自带的液压泵站提供动力；
5）仰拱块铺设底板支护：首先利用安装在仰拱块中心水沟的激光指向仪发射的激光束确定其中线标高位置；再则利用水平道尺调整仰拱块的相对水平位置；最后仰拱块正对后利用全断面掘进机配套智能注浆系统通过注浆孔进行注浆，以填充仰拱块与围岩之间的间隙，实现掘进井筒底板围岩的有效控制；
6）智能化喷浆支护：由智能化控制平台控制混凝土喷射系统进行智能化喷浆支护，完成掘进巷道的初次喷浆和永久喷浆支护；
7）重复步骤1）~6），直至完成全部巷道的掘进工作。
进一步地，所述智能化控制平台，包括控制系统、数据中心和云平台等，智能化控制平台对全断面掘进机的护盾支护、多功能超前钻机、锚杆钻机和喷射系统起控制作用，各支护系统需要开始作业时，将启动信号反馈给控制系统。
优选的，掘进时钢拱架及钢筋网支护、智能化锚杆或锚索支护技术与智能化喷浆支护技术同时开展施工。
优选的，步骤2），掘进面超期地质探测，每隔10~100m探测一次。
优选的，步骤i，注浆加固范围需达到巷道周边的8~12m。
进一步地，步骤 ii，采用超前管棚支护系统的，沿开挖井筒顶拱外插角5~10°进行钻孔，孔径80~200mm，套管为65~190mm，间距100~800mm，支护范围为拱顶90~120°。
进一步地，步骤iii，采用钢筋排架系统的，井筒顶部需净空间距100~160mm，高度30~65mm，支护范围拱顶90~150°，采用HRB400Φ16钢筋，根据围岩破碎情况调整钢筋直径。
进一步地，步骤 4），锚杆钻机分为两部分：第一部分为钢拱架与钢筋网作业时，施工部分锚杆，用于固定钢筋网；第二部分为后部锚杆或锚索施工，两部分同时施工；锚杆施工间排距为500~1500mm×500~1500mm，锚索施工间排距为1000~3000mm×1000~3000mm。
进一步地，步骤5）：要及时利用全断面掘进机上的导向系统确定、校核、调整激光指向仪的激光方向，并在导向系统控制单元首页的显示值，检查激光精度；仰拱块从硐外专用运输车运进硐内铺设点，然后用全断面掘进机后配套专为铺设而用的吊机起吊、就位、检查和固定，实现仰拱块铺设及精确定位。
进一步地，步骤6），智能化喷浆支护，分初次喷浆和永久喷浆支护，两次喷浆支护总厚度在10~20cm。
进一步地，步骤3），采用电液自动控制将钢拱架及钢筋网安装到巷道周边，并施工部分锚杆固定锚网。
进一步地，围岩控制方法还包括底板预制仰拱块的安装和铺设混凝土地面，共同形成完成巷道围岩控制技术体系。
本发明方法和系统特别适合应用于富水弱胶结地层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
（1）本发明发挥现代信息化技术、智能化技术和机械化制造水平提高的优势，在传统全断面掘进机的基础上，升级优化设备。结合煤矿现场作业的实际情况，在围岩控制上，增加了超前智能探测、自动化和智能化的锚网索支护和喷浆支护等自动化和智能化的手段，极大的提高了围岩控制的机械化、自动化、智能化水平，实现了全断面掘进机掘进的安全高效智能化施工。
（2）本发明具有较强的先进性和适用性，在敞开式全断面掘进机高效掘进的前提下，结合本发明的安全高效支护技术，保证了智能化斜井的高质量建设，填补了行业智能化建井围岩控制的行业空白，具有良好的经济与社会效益。
（3）本发明形成了探-固-支-喷为一体新型敞开式全断面掘进机掘进的围岩控制技术装备体系，减小大巷受采动影响，提升井筒掘进围岩控制的机械化、智能化水平，缩短建井周期，实现矿井的安全、高效、智能化建设。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的智能化建井围岩控制布置示意图；
图2为本发明的智能化建井围岩控制工艺图；
图中标记：2-护盾支护、3-超期地质探测系统，4-多功能超前钻机，5-钢拱架及钢筋网支护，6-智能化锚杆或锚索支护，7-仰拱块铺设底板支护、8-智能化喷浆支护。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1~2所示，一种敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，包括以下步骤：
1）利用掘进机自带护盾对裸露围岩临时进行护盾支护2，起到防止围岩塌落和保护设备的作用，实现软弱围岩的短掘短支；
所述掘进机自带护盾由1~4片组成，护盾长度为2~7m；
2）掘进间隙，采用超期地质探测系统3，例如三维激发极化系统等进行掘进面超期地质探测，进行地质信息收集与智能评估，结合对围岩等级进行科学试验，进行综合对比数据分析，若前方存在不良地质体（如断层、破碎带、地下水体等），采用机头架后面的多功能超前钻机进行超前钻探验证及注浆加固围岩；
掘进过程中根据地面钻探地质资料分析，随钻地质探测每隔10~100m探测一次。
根据随钻地质探测的不良地质体具体位置、范围，需采用多功能超前钻机进行钻探验证及注浆加固围岩，加固范围需达到巷道周边的8~12m，超过锚索支护的长度；
根据掘进面超期地质探测与钻探进行地质信息收集与智能评估的结果，决策是否开展步骤i~iii的工作及具体那一项或几项工作：
i）需采用全断面掘进机设备配置的超前管棚支护系统，提前对处理软弱围岩或破裂发育地层等不良地质进行加固处理，预防围岩坍塌，保证施工安全；
采用超前管棚支护系统的，沿开挖井筒顶拱外插角5~10°进行钻孔，孔径80~200mm，套管为65~190mm，间距100~800mm，支护范围为拱顶90~120°；
ii）对于井筒顶板不良地质或由节理切割与构造共同作用产生的碎裂结构地层，需采用钢筋排架系统，配合钢拱架支撑能有效的防止地层坍塌出现，并能在破碎岩层出现的第一时间对破碎岩层进行支护，约束塌方体沿井筒径向方向的发展，抑制围岩的进一步破坏，对坍塌处理有较好的提前支护效果；
采用钢筋排架系统的，井筒顶部需净空间距100~160mm，高度30~65mm，支护范围拱顶90~150°，采用HRB400Φ16钢筋，根据围岩破碎情况调整钢筋直径；
iii）在Ⅳ-Ⅴ级围岩地层施工时，围岩条件较差，仅靠现有的锚网喷+锚索支护难以保证井筒的安全，应增加砌碹结构保证井筒施工和后期运行安全；
3）随着掘进采用全断面掘进机上设置的钢拱架及钢筋网安装机，进行钢拱架及钢筋网的安装施工，控制裸露的围岩，并及时地处理危岩体，防止围岩前部岩体掉落，保障施工安全；
采用电液自动控制将钢拱架及钢筋网安装到巷道周边，并施工部分锚杆固定锚网；
4）由智能化控制平台控制锚杆钻机进行智能化锚杆（索）施工，起到围岩深部支护作用，使围岩各岩层形成一个稳定的围岩支护体，保障巷道的安全性与稳定性；钻机由其自带的液压泵站提供动力，能够实现自动化、智能化作业；
锚杆钻机分为两部分：第一部分为钢拱架与钢筋网作业时，施工部分锚杆，用于固定钢筋网；第二部分为后部锚杆（索）施工，两部分同时施工既能保障掘进头空顶部分的及时支护，又能协同作业提高工作效率；
施工锚杆间排距为500~1500mm×500~1500mm，锚索施工间排距为1000~3000mm×1000~3000mm；
5）仰拱块铺设底板支护：首先利用安装在仰拱块中心水沟的激光指向仪发射的激光束定其中线标高位置。再则利用水平道尺调整仰拱块的相对水平位置。最后仰拱块正对后利用全断面掘进机配套智能注浆系统通过注浆孔进行注浆，以填充仰拱块与围岩之间的间隙，实现掘进井筒底板围岩的有效控制；
要及时利用全断面掘进机上的导向系统确定、校核、调整激光指向仪的激光方向，并在导向系统控制单元首页的显示值，检查激光精度。仰拱块从硐外专用运输车运进硐内铺设点，然后用全断面掘进机后配套专为铺设而用的吊机起吊、就位、检查、固定，实现仰拱块铺设及精确定位；
6）由智能化控制平台控制混凝土喷射系统进行智能化喷浆支护，起到封闭巷道表面的作用，防止围岩与支护体的风化，增加巷道的使用寿命。
智能化喷浆支护，分初次喷浆和永久喷浆支护，两次喷浆支护总厚度在10~20cm，确保喷浆支护覆盖锚网索裸露部分。
7）重复步骤1）~6），直至完成全部巷道的掘进工作。
智能化控制平台设置在地面信息控制中心，其包括控制系统、数据中心、云平台等，智能化控制平台对全断面掘进机的护盾支护、多功能超前钻机系统、智能化锚杆（索）支护系统、喷射系统起控制作用。井下各支护系统需要开始作业时，将启动信号反馈给地面控制控制系统，地面控制系统综合分析井上下人员、设备、环境、安全、管理等要素，综合决策是否开展井下一项或多项工种作业。
掘进时钢拱架及钢筋网支护、智能化锚杆（索）支护技术与智能化喷浆支护技术同时开展施工。
本发明围岩控制技术还包括底板预制仰拱块的安装和铺设混凝土地面，共同形成完成巷道围岩控制技术体系。
本发明围岩控制技术能够应用于西部富水弱胶结岩层，是我国目前敞开式全断面掘进机掘进安全高效智能化围岩控制在的首次应用，为行业首创。
本发明围岩控制方法，掘进时智能化控制平台、掘进前护盾支护、掘进面超期地质探测、多功能超前钻机系统、钢拱架及钢筋网支护、智能化锚杆（索）支护、仰拱块铺设底板支护、智能化喷浆支护，共同形成一种基于敞开式全断面掘进机掘进的安全高效智能的围岩控制方法。
掘进时智能化控制平台控制井下各系统的同时，井下各系统遇到井下生产、安全等特殊情况可以采用人工控制，实现井上下联动作业。
全断面掘进机装备逐渐应用于煤矿井巷工程的掘进，不同结构的全断面掘进机装备对地质条件的适应性不同，依然存在破岩能力不强，复杂地层施工掘-支不平衡，围岩支护影响时间占比大等问题。
陕北地层为典型的富水弱胶结地层，与我国中东部深厚冲积层在物理力学性质上有一定的差异，但均属于含水不稳定地层。西部地区的弱胶结地层中富含水、强度较低、遇水易软化泥化、裂隙不发育等特点。单一的围岩控制手段难以满足地质富水、地层多变、岩性软弱的高效智能围岩控制技术需求。突破掘进面超期地质探测与智能评估、超前钻孔与注浆加固、钢拱架及钢筋排支护、智能化锚杆或锚索支护、仰拱块铺设底板支护以及智能化喷浆支护等技术。本发明开发的智能化敞开式全断面掘进机掘进的围岩控制系统，形成了全断面掘进机掘进成套围岩控制工艺技术体系。取得了全断面掘进机掘进6.6个月（199天），最高日进尺40.3m，最高月进尺710m，月平均进尺406m的良好效果。目前围岩控制效果良好。
本发明是我国目前敞开式全断面掘进安全高效智能化围岩控制在富水弱胶结岩层的首次应用，为行业首创。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）护盾支护：掘进前利用掘进机自带护盾进行裸露围岩临时支护；
2）掘进面超期地质探测，进行地质信息收集与智能评估，决定进一步的操作，具体如下：
i.若前方存在不良地质体，采用机头架后面的多功能超前钻机进行超前钻探验证及注浆加固围岩；
ii. 若存在软弱围岩或破裂发育地层等不良地质，需采用掘进机设备配置的超前管棚支护系统，提前对不良地质进行加固处理；
iii.对于井筒顶板不良地质或由节理切割与构造共同作用产生的碎裂结构地层，需采用钢筋排架系统，配合钢拱架支撑；
iv）在Ⅳ-Ⅴ级围岩地层施工时，增加钢筋混凝土砌碹结构；
3）钢拱架及钢筋网支护：随着掘进采用全断面掘进机上设置的钢拱架及钢筋网安装机，进行钢拱架及钢筋网的安装施工，控制裸露的围岩，并及时地处理危岩体；
4）智能化锚杆或锚索支护：由智能化控制平台控制锚杆钻机进行智能化锚杆或锚索施工，钻机由其自带的液压泵站提供动力；
5）仰拱块铺设底板支护：首先利用安装在仰拱块中心水沟的激光指向仪发射的激光束确定其中线标高位置；再则利用水平道尺调整仰拱块的相对水平位置；最后仰拱块正对后利用全断面掘进机配套智能注浆系统通过注浆孔进行注浆；
6）智能化喷浆支护：由智能化控制平台控制混凝土喷射系统进行智能化喷浆支护，完成掘进巷道的初次喷浆和永久喷浆支护；
7）重复步骤1）~6），直至完成全部巷道的掘进工作。
2.根据权利要求1所述的敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，其特征在于，所述智能化控制平台，包括控制系统、数据中心和云平台等，智能化控制平台对全断面掘进机的护盾支护、多功能超前钻机、锚杆钻机和喷射系统起控制作用，各支护系统需要开始作业时，将启动信号反馈给控制系统。
3.根据权利要求1所述的敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，其特征在于，掘进时钢拱架及钢筋网支护、智能化锚杆或锚索支护技术与智能化喷浆支护技术同时开展施工。
4.根据权利要求1所述的敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，其特征在于，步骤2），掘进面超期地质探测，每隔10~100m探测一次。
5.根据权利要求1所述的敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，其特征在于，步骤i，注浆加固范围需达到巷道周边的8~12m。
6.根据权利要求1所述的敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，其特征在于，步骤 ii，采用超前管棚支护系统的，沿开挖井筒顶拱外插角5~10°进行钻孔，孔径80~200mm，套管为65~190mm，间距100~800mm，支护范围为拱顶90~120°。
7.根据权利要求1所述的敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，其特征在于，步骤iii，采用钢筋排架系统的，井筒顶部需净空间距100~160mm，高度30~65mm，支护范围拱顶90~150°，采用HRB400Φ16钢筋，根据围岩破碎情况调整钢筋直径。
8.根据权利要求1所述的敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，其特征在于，步骤 4），锚杆钻机分为两部分：第一部分为钢拱架与钢筋网作业时，施工部分锚杆，用于固定钢筋网；第二部分为后部锚杆或锚索施工，两部分同时施工；锚杆施工间排距为500~1500mm×500~1500mm，锚索施工间排距为1000~3000mm×1000~3000mm。
9.根据权利要求1所述的敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，其特征在于，步骤5）：要及时利用全断面掘进机上的导向系统确定、校核、调整激光指向仪的激光方向，并在导向系统控制单元首页的显示值，检查激光精度；仰拱块从硐外专用运输车运进硐内铺设点，然后用全断面掘进机后配套专为铺设而用的吊机起吊、就位、检查和固定，实现仰拱块铺设及精确定位。
10.根据权利要求1所述的敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法，其特征在于，步骤6），智能化喷浆支护，分初次喷浆和永久喷浆支护，两次喷浆支护总厚度在10~20cm。
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| CN202210829015.3A CN115199284A (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 一种敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法 |
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| CN202210829015.3A CN115199284A (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 一种敞开式全断面掘进机智能掘进的围岩控制方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117969071A (zh) * | 2024-03-28 | 2024-05-03 | 陕西延长石油矿业有限责任公司 | 一种掘进机撑靴打滑检测装置 |
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2022
- 2022-07-15 CN CN202210829015.3A patent/CN115199284A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117969071A (zh) * | 2024-03-28 | 2024-05-03 | 陕西延长石油矿业有限责任公司 | 一种掘进机撑靴打滑检测装置 |
| CN117969071B (zh) * | 2024-03-28 | 2024-05-31 | 陕西延长石油矿业有限责任公司 | 一种掘进机撑靴打滑检测装置 |
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