一种煤矿硬岩巷道掘进方法

1.本发明涉及矿井巷道掘进施工技术领域，具体涉及一种硬岩巷道掘进方法。


背景技术：

2.目前我国井工煤矿巷道掘进工法有三种：炮掘法、综掘法、全断面掘进机法。在硬岩巷道掘进中这三种方法均存在弊端，无法对矿井硬岩巷道进行灵活、高效、安全掘进。比如，在矿井巷道掘进中，综掘法是目前掘进工法中智能化水平相对较高的一种，采用悬臂掘进机对断面岩石进行截割，并对落岩进行铲运。但是，在截割围岩硬度大于f 6的硬岩巷道时，悬臂掘进机截齿损耗量急剧增加，当围岩硬度大于f 8时悬臂掘进机则无法对断面进行截割；在断面不满足综掘法掘进条件时，则需要采用钻爆法进行破岩掘进，钻爆法能够对掘进机无法截割的硬岩进行破碎，但是钻爆法存在着单尺循环周期长、易产生超欠挖、产生飞石与有害气体等弊端；矿用全断面掘进机能够对高硬度的岩石断面进行自动化截割，但是全断面掘进机体型巨大，成型断面轮廓固定，缺乏转弯、倾角灵活性，无法对小尺寸、中短距离的中小型巷道进行掘进。因此，硬岩巷道掘进领域亟需一种灵活、有效、安全的掘进方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种硬岩巷道掘进方法，以解决现有技术中存在的上述问题。
4.为实现上述目的，本发明的一种煤矿硬岩巷道掘进方法，包括以下步骤：
5.步骤1、在目标巷道巷道断面上确定中心自由面钻涨区，中心自由面钻涨区为圆形面，使用钻涨台车在中心自由面钻涨区边线上按一定间距打设钻孔并对钻孔逐个涨裂，然后在边线内部密集钻孔并对钻孔逐个涨裂，将中心自由面钻涨区内的岩石剥离，形成圆柱形内凹的已涨裂自由面；
6.步骤2、在中心自由面钻涨区边线外划出扩大轮廓钻涨区，以中心自由面钻涨区圆心为圆点，向外划出依次增大的多个圆圏，形成扩大轮廓钻涨区，每个圆圈为扩大涨裂圈；在中心自由面钻涨区中部外侧，沿水平方向，分别向目标巷道两侧方向打设连续咬合形钻孔，形成卸压自由面；卸压自由面两端落在最外侧的扩大涨裂圈的边线上；然后使用钻涨台车从内圈开始依次向外，在扩大轮廓钻涨区的各个边线上按一定间距钻孔；钻孔完成后，再从内圈依次向外，对钻孔进行涨裂，并剥离相邻连线之间的岩石，形成饼状内凹的已涨裂扩大区；
7.步骤3、将目标巷道外轮廓线与扩大轮廓钻涨区之间的断面划定为周边成型钻涨区，并将目标巷道外围轮廓按比例缩小，向内划出多个周边涨裂圏；在施工周边钻涨区之前，先制造控制自由面，沿目标巷道断面的两底角向中心自由面钻涨区中心方向，分别打出两条连续咬合型控制自由面，终点止于扩大轮廓钻涨区外围；沿目标巷道断面的顶角或拐点处向中心自由面钻涨区中心方向，分别打出两条连续咬合型控制自由面，终点止于扩大轮廓钻涨区外围；然后从内往外，在每个周边涨裂圏上等距钻孔并涨裂，并将两个相邻周边
涨裂圈内的岩石剥离，最终形成目标巷道巷道断面的内凹面；
8.步骤4、对成型巷道轮廓的超欠挖区域铣挖平整，将涨裂落岩和修边碎石铲运运离工作面，对工作面围岩与设备进行检查，进行下一轮进尺涨裂，从而实现连续钻涨掘进。
9.进一步地，中心自由面钻涨区直径小于15倍涨裂装置直径与2倍涨裂装置容许孔边距的差值；自由面钻孔深度大于或等于涨裂装置工作深度。
10.进一步地，在步骤2中，每圏扩大涨裂圈上的钻孔间距小于5倍涨裂装置的直径。
11.进一步地，当扩大轮廓钻涨区最外圈的边线与目标巷道轮廓之间距离接近2到3倍涨裂装置容许孔边距时，进入周边成型钻涨区。
12.进一步地，最外层周边成型涨裂孔钻孔方向与理想轮廓面呈5
°
到15
°
的倾角。
13.本发明的有益技术效果：
14.(1)本发明通过对硬岩巷道机械化掘进，将巷道断面划定为中心自由面钻涨区、扩大轮廓钻涨区、周边成型钻涨区，从内到外，采用先钻孔后涨裂的方式，将断面的岩石逐步地、分层次地剥离，从而实现对巷道断面硬度等级大于f 8的岩石进行高效破碎；
15.(2)本发明采用的钻涨掘进技术，对硬岩掘进时不产生冲击扰动、崩落飞石、有害气体的优点，完成涨裂并清理工作面后可直接进行下一循环的钻涨掘进工作，避免了钻爆法掘进的通风工作，实现连续钻涨掘进；
16.(3)本发明通过通过划定三个区域并制造卸压自由面和控制自由面，能够实现定向破岩，更精准地控制巷道成型轮廓，减少超欠挖现象。
附图说明
17.图1是目标巷道工作面断面区域划分及钻孔布置图；
18.图2是目标巷道巷道断面的中心自由面及钻孔布置图；
19.图3是目标巷道巷道断面的扩大轮廓钻涨区及钻孔布置图；
20.图4是目标巷道巷道断面的的周边成型钻涨区及钻孔布置图；
21.图5是目标巷道巷道断面的周边成型钻涨外层布孔方案图；
22.图6是目标巷道巷道断面的周边轮廓成型钻涨外层钻孔剖面图；
23.图7是本发明所提出的双臂钻涨台车结构图；
24.图中：1-巷道断面，2-中心自由面钻涨区，3-扩大轮廓钻涨区，3-1、卸压自由面，4-周边成型钻涨区，4-1-控制自由面，4-2-外层周边成型涨裂轮廓，4-3-外层周边涨裂孔，5-钻涨台车，5-1、钻涨一体装置，5-2、钻涨工作臂，5-3、液压泵站，5-4、电气控制箱，5-5、行走履带，5-6、支腿。
具体实施方式
25.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
26.首先对本技术方案中出现的一些名词的含义进行明确，一、超欠挖，是一种工程用专有名词。它以设计开挖轮廓线为基准，实际开挖的断面在基准线以外的部分称为超挖，在基准线以内的部分称为欠挖；二、拐点，由于待掘进的巷道断面的形状有多种，比如矩形断面，拱形断面，当为拱形断面时，上面的圆弧与下面的矩形相交的两个点称为拐点，巷道断面外轮廓向内按比例缩小形成的内部轮廓，其圆弧的两个下端点也称为拐点。三、涨裂装置
容许孔边距，是指工作压力、分裂距离等工作能力一定的涨裂设备所能完成涨裂的最大孔边距，即在此边距范围内涨裂可以完成。
27.如图1所示，巷道断面1为拱形，首先，在巷道断面1上确定中心自由面钻涨区2，中心自由面钻涨区为圆形面。自由面的圆心一般定在拱形(上面半圆+下面矩形)下面的矩形的两个对角线的交叉点。本方法使用钻涨台车，钻涨台车为现有技术，其具有钻孔与对钻孔进行涨裂的功能。先使用钻涨台车在中心自由面的外圆圈上，按一定间距打设钻孔，并对钻孔逐个涨裂，然后在圆形面内部，密集打设多个钻孔并对钻孔逐个涨裂，这样即可将中心自由面钻涨区内的岩石剥离，最终形成圆柱形内凹的已涨裂自由面。中心自由面钻涨区2的钻孔布置，如图2所示。
28.将中心自由面钻涨区2的外圈向外扩展，划出多个同圆心的圆圈，最外面的圆圈与中心自由面之间的区域划定为扩大轮廓钻涨区3，如图3所示。由于中心自由面内的岩石已被剥离，扩大轮廓钻涨区的外形为一个大的圆环。在中心自由面钻涨区2的中间两侧，向外打设连续咬合形钻孔，形成卸压自由面3-1，如图2所示。所谓咬合形钻孔，即相邻的钻孔之间没有矩离。卸压自由面3-1将这个圆环分成上下两部分，其作用是在钻孔时钻进的压力及涨裂的压力比较小，对钻涨台车的设备磨损减小，且容易对硬度高的岩石进行剥离。
29.在扩大轮廓钻涨区3的多个圆圈上，由最内圈开始，由里往外按一定间矩打设钻孔，然后对钻孔进行涨裂，待所有圆圈上的钻孔涨裂完毕后，对相邻圆圈内的岩石进行剥离。待剥离工作完毕，扩大轮廓钻涨区与已涨裂的中心自由面一起形成一个内凹形饼状断面。
30.如图4所示，待扩大轮廓钻涨区上的岩石剥离完成后，再划定周边成型钻涨区，周边成型钻涨区是巷道断面的外轮廓与扩大轮廓钻涨区最外侧圆圈之间的区域。本发明以拱形断面为例，因此，周边成型钻涨区还包括上面的半圆形断面，其划定方法是，对巷道断面外轮廓进行按比例缩小，形成几个缩小版的外轮廓线。首先，制造控制自由面4-1，控制自由面4-1的制造方法为，由于拱形断面的下半部分为矩形面，先从巷道断面的最外边的矩形轮廓的两个底角向中心自由面的圆线划线，线段的终点落在扩大轮廓钻涨区的最外侧的圆圈上，在上述两个线段上打设咬合形钻孔并涨裂；将周边成形钻涨区最里面的轮廓线中的矩形线，从其顶点，也是拐点，与自由中心面的圆心相连，终点也位于扩大轮廓钻涨区的最外侧的圆圈上，然后，在上述两个线段上打设咬合形钻孔并涨裂。另外，在水平方向上，最里面的拐点与最外面的拐点之间也打设咬合形钻孔。
31.4-1控制自由面施工完成后，在各大小不同比例的外轮廓线上按一定间长打设钻孔，并对钻孔进行涨裂，如图5所示。
32.控制自由面4-1的设置，一方面可以使外轮廓的钻孔和涨裂更为轻松易实施，另一方面可以有效控制巷道断面的外形，防止出现意外，使打设出来的断面不是拱形断面。
33.以上施工中打设的钻孔，其都是垂直于断面打设的，但巷道断面的外轮廓线的相邻内侧的轮廓，即外层周边成型涨裂轮廓4-2上的外层周边涨裂孔4-3，其并不是垂直于断面的，而是向内侧倾斜5-15度角进行打设，如图6所示。由于巷道是一轮接着一轮进尺向前推进的，钻孔装置周围需要工作空间，由于围岩存在无法在轮廓上钻孔，为避免每进尺轮廓越来越小，需倾斜钻孔，使新形成钻孔断面面积与上一轮相等。
34.当然，在进行断面的钻孔与涨裂工作完成后，也可能会存在超欠挖区域，需要对成
型巷道轮廓的超欠挖区域铣挖平整，
35.最后，将涨裂落岩和修边碎石铲运运离工作面，对工作面围岩与设备进行检查，一轮进尺的岩石剥离工作结束，然后进行下一轮进尺涨裂，从而实现连续钻涨掘进。
36.在本实施例中，中心自由面直径应小于15倍涨裂装置直径与2倍涨裂装置容许孔边距的差值，自由面钻孔深度略大于涨裂装置工作深度。各扩大轮廓涨裂孔区的间距应小于涨裂装置容许孔边距，钻孔深度应大于自由面钻孔深度，最内层涨裂孔区的上下钻涨区应包含至少3个涨裂孔。各扩大轮廓涨裂孔区的孔间距应小于5倍涨裂装置直径。在扩大轮廓涨裂成型轮廓与目标巷道轮廓之间距离接近2到3倍涨裂装置容许孔边距时，改变布孔方案，进入周边成型涨裂阶段。各周边成型涨裂孔区的间距应小于涨裂装置容许孔边距。各周边成型涨裂孔区的孔间距应小于5倍涨裂装置直径。在一轮钻涨掘进过后，根据落岩径度和进尺量对布孔深度、个数进行及时调整。
37.本发明的硬岩巷道掘进方法中所使用的钻涨台车为双臂钻涨台车，如图7所示，包括钻涨一体装置5-1、钻涨工作臂5-2、液压泵站5-3、电气控制箱5-4、行走履带5-5和支腿5-6。钻涨工作臂5-2是完成钻涨工作的工作装置，具有横摆、调高、推进的功能，钻涨一体装置5-1通过回转支撑安装在钻涨工作臂5-2上，具有钻孔、回转、涨裂的功能。本发明采用双臂钻涨台车进行钻孔和涨裂施工，其破岩效率也会得到很大提高。
38.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种煤矿硬岩巷道掘进方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在目标巷道巷道断面上确定中心自由面钻涨区，中心自由面钻涨区为圆形面，使用钻涨台车在中心自由面钻涨区边线上按一定间距打设钻孔并对钻孔逐个涨裂，然后在边线内部密集钻孔并对钻孔逐个涨裂，将中心自由面钻涨区内的岩石剥离，形成圆柱形内凹的已涨裂自由面；步骤2、在中心自由面钻涨区边线外划出扩大轮廓钻涨区，以中心自由面钻涨区圆心为圆点，向外划出依次增大的多个圆圏，形成扩大轮廓钻涨区，每个圆圈为扩大涨裂圈；在中心自由面钻涨区中部外侧，沿水平方向，分别向目标巷道两侧方向打设连续咬合形钻孔，形成卸压自由面；卸压自由面两端落在最外侧的扩大涨裂圈的边线上；然后使用钻涨台车从内圈开始依次向外，在扩大轮廓钻涨区的各个边线上按一定间距钻孔；钻孔完成后，再从内圈依次向外，对钻孔进行涨裂，并剥离相邻连线之间的岩石，形成饼状内凹的已涨裂扩大区；步骤3、将目标巷道外轮廓线与扩大轮廓钻涨区之间的断面划定为周边成型钻涨区，并将目标巷道外围轮廓按比例缩小，向内划出多个周边涨裂圏；在施工周边钻涨区之前，先制造控制自由面，沿目标巷道断面的两底角向中心自由面钻涨区中心方向，分别打出两条连续咬合型控制自由面，终点止于扩大轮廓钻涨区外围；沿目标巷道断面的顶角或拐点处向中心自由面钻涨区中心方向，分别打出两条连续咬合型控制自由面，终点止于扩大轮廓钻涨区外围；然后从内往外，在每个周边涨裂圏上等距钻孔并涨裂，并将两个相邻周边涨裂圈内的岩石剥离，最终形成目标巷道巷道断面的内凹面；步骤4、对成型巷道轮廓的超欠挖区域铣挖平整，将涨裂落岩和修边碎石铲运运离工作面，对工作面围岩与设备进行检查，进行下一轮进尺涨裂，从而实现连续钻涨掘进。2.根据权利要求1所述的煤矿硬岩巷道掘进方法，其特征在于，中心自由面钻涨区直径小于15倍涨裂装置直径与2倍涨裂装置容许孔边距的差值；自由面钻孔深度大于或等于涨裂装置工作深度。3.根据权利要求1所述的煤矿硬岩巷道掘进方法，其特征在于，在步骤2中，每圏扩大涨裂圈上的钻孔间距小于5倍涨裂装置的直径。4.根据权利要求1所述的煤矿硬岩巷道掘进方法，其特征在于，当扩大轮廓钻涨区最外圈的边线与目标巷道轮廓之间距离接近2到3倍涨裂装置容许孔边距时，进入周边成型钻涨区。5.根据权利要求1所述的煤矿硬岩巷道掘进方法，其特征在于，最外层周边成型涨裂孔钻孔方向与理想轮廓面呈5
°
到15
°
的倾角。

技术总结
本发明公开了一种煤矿硬岩巷道掘进方法，包括：首先划定中心自由圆面钻涨区，在自由圆面钻涨区内密集钻孔并涨裂，在圆周上间矩钻孔并涨裂；然后以中心自由面钻涨区的圆心划出多个大于中心自由面的圆圈，划定扩大轮廓钻涨区，在各圆圈上间矩钻孔并涨裂，将相邻圆圈之间岩石剥离；最后确定周边成型钻涨区，将巷道外轮廓按比例缩小为几个轮廓线，在轮廓线上钻孔并涨裂。本发明可以较轻松地剥离硬度较大的岩石，且不会有石块乱飞的情况，不危及设备及人身安全，且工作效率大大提高。且工作效率大大提高。且工作效率大大提高。


技术研发人员：张文康 聂济刚 赵伟 刘送永 顾聪聪 郝明月 贾亮亮 姚贺 宋道 陶亚男 苏金华 种波凯 赵功铭 杨红振
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/6