硬質(zhì)巷道井下高效掘進工藝的研究

黃亞寅

（霍州煤電集團薛虎溝煤業(yè)有限公司，山西 運城 043302）

薛虎溝煤業(yè)在2 號-10 號煤層穿層施工暗斜井時，設計巷道寬度為4600 mm，高度為3000 mm，巷道掘進時的斷面截面積為13.7 m2。經(jīng)地質(zhì)分析該巷道的圍巖普氏系數(shù)為11.2，為典型的硬質(zhì)巖層巷道結構。該巷道最初掘進時采用的為EBZ315 型掘進機，由于巷道圍巖硬度高，導致實際工作時截齒磨損非?？?，而且該掘進機的噴霧降塵系統(tǒng)工作效率低，無法實現(xiàn)有效降塵，嚴重影響了巷道掘進的效率，實際日進尺僅為3.1 m/d，無法滿足井下高速綜采的需求。

為了提升薛虎溝煤業(yè)井下巷道掘進效率，項目組提出了一種新的巷道井下高效掘進工藝，通過采用新型鉆裝機并合理設計井下圍巖爆破方案來實現(xiàn)對井下巷道掘進效率的提升。根據(jù)實際應用表明，該巷道掘進工藝將支護效率提升24.4%，將巷道掘進速度提升了67.7%，極大地提升了井下巷道掘進效率和安全性，目前已經(jīng)在薛虎溝煤業(yè)得到了廣泛的應用。

1 掘進設備優(yōu)化

針對現(xiàn)有掘進設備掘進效率低、除塵性能差、故障率高的不足，結合井下巷道的實際地質(zhì)情況，并對多種掘進設備進行綜合對比后，確定選擇CMZY2-120 型巷道鉆裝機[1]。該設備將鑿巖和裝巖集成在一體，只需要一臺設備即可完成鉆眼和碎石裝載的需求，不僅降低了勞動面同時工作人員的數(shù)量，而且有效地提升了作業(yè)效率和鉆進時的安全性。

該設備采用了雙臂同時打眼的方案，鉆進過程中的粉塵量少，操作靈活性高。同時，該設備還可以和輸送機、轉(zhuǎn)載機配合使用，進一步提升了在井下巷道狹小空間內(nèi)的實際使用需求，解決了傳統(tǒng)掘進機掘進效率低、安全性差的難題。

2 井下巖層爆破可行性分析及爆破方案設計

巖層的結構性質(zhì)，直接決定了爆破效果和安全性。為了優(yōu)化測試方案，提高巷道爆破效果，對巷道周圍巖石進行現(xiàn)場取樣分析，測定其物理性質(zhì)。結合地質(zhì)勘探，井下巷道主要包括石灰?guī)r層、砂質(zhì)泥巖層和細砂巖層，在巷道掘進過程中巷道的高度是大于砂質(zhì)泥巖層的，為了確保爆破效果，需要將爆破點深入到石灰石巖層或者細砂巖層內(nèi)。石灰?guī)r層的密度、劈裂抗拉強度、抗壓強度、粘聚力、泊松比等均優(yōu)于細砂巖層[2]，而且細砂巖層內(nèi)的爆破會導致巷道頂板的凹凸不平，進一步增加支護難度，因此綜合分析后選擇將爆破層設置在石灰?guī)r層內(nèi)，為了滿足掘進便捷性和爆破效果的需求，將中深孔爆破掏槽眼布置在石灰?guī)r下沉的爆破掏槽內(nèi)。

確定爆破點位置后，需要根據(jù)鉆裝機的實際工作特性并結合井下爆破的實際需求，設置井下爆破方案，項目組共設置了2 組爆破方案，具體如下：

（1）方案一：采用鉆裝機打眼，鉆裝機的鉆頭選擇直徑為42 mm 的鉆頭，爆破藥選擇直徑為35 mm 的乳化炸藥，掏槽時采用準直眼的方式，槽眼的深度為2000 mm，輔助眼和周邊眼的深度設置為1800 mm，各個輔助眼之間的距離設置為420 mm。

（2）方案二：采用鉆裝機打眼，鉆裝機的鉆頭選擇直徑為42 mm 的鉆頭，爆破藥選擇直徑為35 mm 的乳化炸藥，掏槽時采用準直眼的方式，槽眼的深度為2000 mm，輔助眼和周邊眼的深度設置為1800 mm，各個輔助眼之間的距離設置為480 mm。

兩種方案的鉆孔布置如圖1。

圖1 井下鉆孔布置結構示意圖（mm）

爆破參數(shù)分析，為滿足爆破可靠性需求，理論計算的單位炸藥放置量為2.5 kg，考慮到井下封孔長度和爆破安全的需求，最終確定的單位炸藥安放量為2 kg/m3，炮眼的深度設置為1800 mm。

3 爆破方案的仿真研究

為了對兩種爆破方案的實際爆破效果進行分析，本文利用3D 建模分析軟件建立井下圍巖的三維模型[3]，按照地質(zhì)勘探獲取的圍巖參數(shù)進行巖層參數(shù)的設置，采用對稱邊界條件模式，則在不同的輔眼間距情況下爆破效果對比如圖2。

圖2 不同輔助眼間距情況下爆破效果對比

由實際仿真分析結果可知，當輔助眼間距為420 mm 的情況下，爆破時作用在巖石上的最大爆破應力為2.63 MPa，當輔助眼間距為80 mm 時，爆破時作用在巖石上的最大爆破應力為2.93 MPa，而巖石的最大抗拉應力約為2.86 MPa，因此當輔助眼間距為480 mm 時具有最佳的爆破效果。

4 爆破效果分析

根據(jù)實際分析結果，在井下巷道采用全新的巷道高速掘進方案，利用鉆裝機鉆孔，利用分析確定的爆破方案進行爆破組織。同時，為了提高效率和安全性，對各個掘進工序進行了全面分析和梳理，確保各個施工工序的有序銜接和平行同步作業(yè)，對不同的崗位進行專業(yè)性劃分，專業(yè)性強的崗位需要先培訓再持證上崗，提升進行巷道掘進作業(yè)的效率和有序性[4]。

對井下巷道掘進進行跟進，由于采用了鉆裝機雙臂同時鉆孔，因此鉆孔效率高。通過采用優(yōu)化后的精確爆破方案，爆破后的巷道斷面規(guī)制性好，使井下的支護效率比優(yōu)化前提升了24.4%，巷道掘進效率由最初的3.1 m/d，提升到了目前的5.2 m/d，整體的掘進效率提升了67.7%，極大地提升了薛虎溝煤業(yè)的井下巷道掘進效率和安全性，目前已經(jīng)在多個巷道進行推廣。

5 結論

為了解決薛虎溝煤業(yè)井下巷道掘進速度慢、效率低、成本高的不足，項目組提出了一種新的井下高效掘進工藝，采用高效鉆裝機進行鉆孔，采用仿真分析的方法來確定最佳的爆破方案，根據(jù)實際應用表明：

（1）CMZY2-120 型巷道鉆裝機采用了雙臂同時打眼的方案，鉆進過程中的粉塵量少，操作靈活性高；

（2）采用仿真分析的方法能夠有效地模擬井下爆破時的效果，為確定最佳的爆破方案提供理論依據(jù)；

（3）采用新的爆破方案并結合井下工序優(yōu)化的方法，能夠?qū)⒕孪锏乐ёo效率提升24.4%，將巷道掘進速度提升了67.7%，極大地提升了井下巷道掘進效率和安全性。