1 绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1课题的背景
现阶段我国能源主要还是以煤炭为主，煤炭资源在一次性能源消耗中大约占据到70%以上，因此煤炭工业发展的好坏直接关系到国家能源安全及经济命脉等问题[1]。根据国际能源署的预测，自2000年至2025年，一次性商品能源的需求年增长率为2.97%，煤炭行业将还会有一个较好的发展。未来几十年内，煤炭工业在我国能源工业中仍占据相当大的比重，在国民实体经济中仍发挥领导者的作用[2-3]。
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掘进巷道是煤炭生产十分重要的一个环节。巷道是工作面开采的前提，巷道的快速安全掘进是保证煤矿高效稳定生产的关键技术措施。采掘技术及其机械装备的水平直接影响到煤矿企业生产的安全和能力。目前在我国煤矿巷道快速掘进中，都是以悬臂式掘进机为主的配套工艺，除了掘进机本身的技术性能外，配套的工艺环节还包含掘进切割、临时支护、挂网钻孔、锚固、运输、给排水、通风通信、供电、材料管理、现场组织调度等都是影响煤巷掘进速度的重要因素[4]。
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1.2本课题国内外的研究现状
1.2.1煤巷快速掘进工艺研究现状
目前，我国煤巷快速掘进[6-10]工程主要分为掘进切割、支护、运输几个部分，掘进切割和运输工程包含割煤、装煤、运煤，经过几十年的努力，切割与运输机械设备已经相当完美的把这三个部分融合在了一块，掘进机技术已经发展到相对成熟的地步；支护工程从其作用上又可细分为永久支护和临时支护，临时支护在永久支护准备和作业时间内临时支护顶板和巷帮，防止顶板突然垮塌、冒顶和片帮的事故发生，永久支护作业完成后撤出。永久支护为锚网索支护。多年来，经过不断的发展和改进，煤巷掘进主要有以下几种掘进工艺：
（1）纵轴悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套掘进工艺，该工艺在我国人员密集型煤矿企业中应用最为普遍。在掘进机掘进切割一次后，通过人工将单体锚杆钻机移动到支护工作面，然后进行挂网钻孔装锚杆支护。永久支护完成后，再利用人工移走单体锚杆钻机，掘进机进入下一次掘进截割。此工艺存在很多弊端：掘进截割与支护作业互斥，掘进机切割作业和锚杆钻孔作业交替，效率低下。辅助支护复杂，耗时耗力。施工人员工作量大，强度高。而且影响巷道及时成型。
（2）连续采煤机和锚杆钻车配合掘进工艺，该工艺多适应于双巷或者多巷掘进。施工时，采煤机实施掘进切割作业，独立的锚杆钻车进行钻孔打眼。两种机械在两条平行巷道里反复交叉换巷作业。采煤机完成第一条巷道的切割作业后，为使采煤机不间断工作，采煤机则要移动至另外一条巷道继续切割，此时，独立锚杆钻车开进到第一条巷道进行钻孔施工作业。该工艺要求采煤机和锚杆钻车不停的交替作业，存在很多的缺陷：掘进巷道应为距离较近的双巷或多巷掘进，在两条巷道之间采煤机不断的换位移动，采煤机的实际操作时间受到限制。采煤机进尺和巷道围岩地质情况都会制约此工艺，本工艺适用面很窄。初期投资成本高昂，不容易维护。
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2 煤巷快速掘进影响因素分析
2.1机械设备的选型
2.1.1掘进机
随着煤炭开采技术的不断发展，掘进新型机械设备不断涌现，琳琅满目，悬臂式掘进机（如图2.2，图2.3所示）作为煤巷掘进的主流截割设备得到广泛应用。虽然切掘速度取得了一些进展，但从国家整体水平来看，切掘机械设备齐全，但是，性能差，自动化程度低，国产掘进机性能不稳定，质量缺陷一直存在，维修时间长，频繁的切割和锚杆钻孔支护使得掘进机运行时间短，并且大大降低了其工作效率。
尽管如此，悬臂式掘进机市场的繁荣使得大家潜意识认为悬臂式掘进机是煤巷快速掘进的最佳切割机械。60年代中国开始研发和应用煤巷机械化掘进设备,主要基于30-50KW功率的小型悬臂式掘进机,研发和生产使用均处于试验阶段。80年代初期,为满足煤矿机械化生产快速发展的需要,我国以经贸合作方式引入了那时具备领先技术水平的S-100型、AM50型悬臂式掘进机。与此同时,研究人员通过学习总结国外掘进设备的优点，并结合我国实际情况积极研发了适合中国工程地质情况和煤矿施工工艺的机械化掘进设备,制造了多种型号的掘进机，以至我国煤巷机械化掘进技术向前迈进一大步。直到现在国内很多的科研院所和企业研制开发的EBZ、EBM、EBJ等系列掘进机在煤巷掘进中也得到普遍的应用,全国各地已经生产了近千余台悬臂式掘进机。
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2.2工程地质条件
众所周知，工程地质条件是任何工程作业的先决条件，围岩地质状况是一切工程施工难易程度的主导因素，针对地质条件展开的施工工艺是人们经过长期的工程实践摸索出来的。不同的地质条件有不同的施工方法、施工工艺。现有的施工工艺是否对某一工程地质条件是最合理的，这根据人们的认知是不断变化的。
煤巷掘进的工程地质条件主要是指掘进巷道煤层层理孔隙发育状况,煤岩硬度,煤岩完整性,迎头出水量，顶板、两帮及底板的稳定情况等。一个好的工程地质环境能为实现快速掘进提供一个良好的作业条件,相反复杂的工程地质环境成为实现煤巷快速掘进的一个瓶颈。第一是煤岩硬度及完整性,煤层松软、破碎,切割速度快,但增大了支护难度,加长了支护时间。煤岩质地坚硬、完整性好,切割头的刀头磨耗大,维护时间变长。第二是地质条件,巷道围岩稳定，空顶距离长,支护条件好,临时支护完成后,永久支护滞后掘进机一段距离进行,掘进机开机效率高,掘进切割和钻孔锚杆支护可同步进行。顶板条件差,空顶距小,掘进机掘进一小段距离,就只能退后进行永久支护,掘进机的开机时间间断，工作效率受限制,煤矿工人劳动强度大。再者掘进机大多是履带式行走,底板强度低,易造成“水泥路”,掘进工作面条件恶劣。
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3 煤巷快速掘进改进工艺研究 ................................ 22
3.1切割工艺 .......................................... 22
3.1.1掘进机掘进断面极限形状 ............................... 22
3.1.2掘进机切割路径 ................................... 24
4 实现快速掘进空顶距优化 ........................................ 39
4.1数值模拟研究 ......................................... 39
4.1.1工程背景介绍 ..................................... 39
4.1.2模拟方案设计 ................................... 40
5 实现快速掘进临时支护设备的改进 .................................. 53
5.1适应掘进工艺临时支护设备应具有的优点 .................................. 53
5.2临时支护设备改进思路 ..................................... 54
5 实现快速掘进临时支护设备的改进
5.1适应掘进工艺临时支护设备应具有的优点
（1）该临时支护设备结构简单实用，伸缩变形大，灵活，能够适应地质条件复杂的巷道，能对施工人员的安全起到很好的防护作用。
（2）临时支护设备支护面积大，能对空顶区顶板和两帮实现全方位无死角防护，有效防止顶板垮落、冒顶，帮部脱落等事故的发生，能够加强永久支护的安全性。
（3）临时支护设备不仅能适应巷道地面凹凸不平、“水泥路”等恶劣的情况，而且移动迅速稳定，支护设备就位快，及时支护。
（4）临时支护设备护帮机构具有较高的水平支撑作用，防止巷道两帮发生片帮脱落等影响施工作业。
（5）临时支护设备应具备大跨度龙门结构的特点，与悬臂式掘进机匹配合理简单，不影响巷道通风，降低污染。
（6）临时支护设备主要构件的连接方式简便，拆装快速，简洁牢固，有很好的适应性。
（7）临时支护设备由液压泵控制，操作快捷方便，节约时间，节省劳动力，机械自动化程度高。并且能与掘进作业共同运行，提升效率。
（8）临时支护设备上有固定锚网的结构，铺网设施简洁快速，能够有效防止脱落。使临时支护和永久支护有效融合，减少支护时间，提高安全性的同时，也提升支护速度。
（9）临时支护设备总体具有较高的自动化程度。能与悬臂式掘进机一起工作，二者匹配合理，有利于快速掘进，机械化程度高。
（10）临时支护设备也可自带永久支护的施工设备，可在临时支护设备上加装悬挂式可移动锚杆钻机，掘进机切割作业完成撤出后在临时支架展开后可立刻进行锚杆支护，极大提高工作效率，缩短支护时间，同时能保证施工人员的安全。
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6 结论与展望
6.1结论
在煤巷掘进过程中，要想使每个生产环节做到即安全又高效其实是很难做到的。经常会因为任意一个环节发生纰漏或者影响其效率的事情发生，从而导致整个掘进速度被制约。因此本文主要是分析研究影响煤巷快速掘进的因素以及制约掘进速度中的临时支护设备的优缺点，并对快速掘进工艺中存在的问题和超前临时支护设备的缺点提出改进措施和一些想法，依次来达到提高掘进速度的目的。
论文主要在以下几个方面进行了研究，得到了以下几个结论。
（1）对影响目前煤巷快速掘进的因素和现有超前临时支护设备的优缺点进行了详细的研究，发现掘进机破岩效率、钻孔效率以及运输效率基本满足要求，然而施工工艺、掘进方式还存在很多问题，支护是制约煤巷快速掘进的瓶颈，超前临时支护速度慢，临时支护不安全，为快速掘进埋下隐患。研究得到现有的快速掘进设备和支护设备都是以悬臂式掘进机为基础的，要使掘进发生质的飞跃，急需冲破掘进机基本结构，研发以支护工艺为主体的一体机械自动化设备。临时支架应该向着简洁轻巧，防护作用为主，支撑为辅的方向发展，临时支架对巷帮和顶板都能起到全方位的防护。
（2）针对施工工艺和掘进方式的不足，在悬臂式掘进机配套单体锚杆钻机的施工工艺下，分析切割工艺和支护工艺，通过掘进机断面极限形状分析得到掘进机机身左右不动，煤巷断面快速一次成型的提高速度的方式。经过数值模拟软件对“蛇形”、“回形”、“螺旋形”三种切割路径的数值模拟计算分析，得到自下而上的“蛇形”最优切割路径推进方式有利于巷道围岩的稳定。提出临时支护与永久支护“合二为一”的提高掘进速度的支护工艺。
（3）针对目前有效提高掘进速度的空顶距合理最大化问题，以渭北董东煤业有限公司50110回风巷为工程背景，通过数值模拟研究了不同空顶距离，不同截面形状，不同煤层埋深对巷道围岩稳定性的影响，得到矩形巷道围岩位移和塑性区分布规律，得到直墙圆拱巷道断面最有利于将空顶距离由4m提高到4.8m。
参考文献（略）