巖巷高效快速掘進(jìn)工藝及設(shè)備的優(yōu)化

丁繼國

（山西焦煤西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

引言

煤礦生產(chǎn)包括對巖巷的掘進(jìn)和煤巷的開采，二者生產(chǎn)能力相互匹配才能保證煤礦高效、安全的生產(chǎn)。目前，煤巷開采設(shè)備的自動化水平和開采工藝的提升保證了開采效率和安全性。對于巖巷掘進(jìn)而言，雖然其在機(jī)械設(shè)備和工藝方面較以往相比已經(jīng)取得了極大的進(jìn)步，但是掘進(jìn)速度仍然無法與煤巷開采相匹配[1]。因此，在當(dāng)前形勢下如何實(shí)現(xiàn)巖巷的快速、安全掘進(jìn)是提升煤礦生產(chǎn)能力和采掘綜合水平的關(guān)鍵。本文將對巖巷高效快速掘進(jìn)工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

本工程為西銘礦325巖巷的掘進(jìn)工程。325巖巷掘進(jìn)完成后主要任務(wù)是對325煤巷中的作業(yè)人員、煤炭以及設(shè)備的運(yùn)輸提供通道。除此之外，325巖巷還為通風(fēng)系統(tǒng)中的進(jìn)風(fēng)巷道。經(jīng)探測可知，325巖巷中巖石的最小厚度為40 m，最大厚度為450 m，平均巖石厚度為245 m；巖層的最小傾角為34°，最大傾角為48°，平均傾角為41°；巖層平均硬度系數(shù)為11；整個(gè)325巖巷圍巖類型屬于茅口灰?guī)r。

總的來講，325巖層的整體結(jié)構(gòu)相對簡單，巖層中間不存在斷層，且在當(dāng)前掘進(jìn)過程中尚未發(fā)現(xiàn)涌水現(xiàn)象。但是，當(dāng)在掘進(jìn)過程中遇到溶洞或者裂隙時(shí)，存在一定的量涌水，具體平均涌水量為12.5 m3/h。在前期的掘進(jìn)施工中發(fā)現(xiàn)，由于325巖巷巖層的硬度系數(shù)較大，存在爆破困難大、鉆眼效率低的問題[2]。目前，325巖巷采用最為常規(guī)的掘進(jìn)方案，每個(gè)月工作面的推進(jìn)長度僅為100 m左右。325巖巷的斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示，325巖巷的凈寬度為4.8 m，凈高度為3.6 m。

圖1 325巖巷斷面結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2 巖巷原掘進(jìn)工藝研究

325主要采用爆破方式進(jìn)行掘進(jìn)，其爆破方案的合理性和有效性將決定最終的掘進(jìn)效率。本節(jié)將對325巖巷所采用的爆破方案和效果進(jìn)行闡述。

2.1 325巖巷原爆破方案

325巖巷原爆破方案中對應(yīng)的炮眼布置情況如圖2所示。

圖2 原爆破方案對應(yīng)的炮眼布置圖（單位：mm）

如圖2所示，原爆破方案中掏槽眼共有8個(gè)，每個(gè)掏槽眼的深度為2.4 m，其間距為0.6 m，每個(gè)炮眼中的裝藥量為6 kg；輔助眼為圖1中的9號—23號共有15個(gè)，每個(gè)炮眼的深度為2.2 m，間距為0.5 m，每個(gè)炮眼的裝藥量為4 kg；幫眼為圖1中的24號—27號和39號—42號共有8個(gè)，每個(gè)炮眼的深度為2.2 m，間距為0.5 m，每個(gè)炮眼的裝藥量為4 kg；頂眼為圖1中的28號—38號炮眼共有11個(gè)，每個(gè)炮眼的深度為2.2 m，間距為0.45 m，每個(gè)炮眼的裝藥量為4 kg；底眼為圖1中的43號—55號共13個(gè)，每個(gè)炮眼的深度為2.2 m，間距為0.5 m，每個(gè)炮眼的裝藥量為4 kg。

上述掏槽眼、輔助眼、頂眼等炮眼的起爆順序依次為：掏槽眼—輔助眼—頂眼—幫眼—底眼；而且，整個(gè)325巖巷所有炮眼的總的裝藥量為47.2 kg。

2.2 原爆破方案實(shí)施情況及效果分析

就從爆破效果來看，現(xiàn)場實(shí)際實(shí)施中發(fā)現(xiàn)如下問題：

1）由于325巖巷本身巖層的硬度系數(shù)較大，采用傳統(tǒng)的氣腿式鑿巖機(jī)施工時(shí)，平均鉆一個(gè)深度為2 m的炮眼所需時(shí)間為13 min；而該工程中除了掏槽眼的深度為2.4 m外，其余炮眼的深度均為2.2 m，按照每鉆一個(gè)炮眼的時(shí)間為14 min，鉆完該工程中所需的55個(gè)炮眼總共經(jīng)歷4.4 h。

2）炮眼中的裝藥量不足，對于硬度系數(shù)較大的巖層而言很難達(dá)到預(yù)期的爆破、掏槽效果；

3）目前，現(xiàn)場采用P-60B耙矸機(jī)對爆破后的矸石進(jìn)行狀態(tài)，其效率低，勞動強(qiáng)度大，無法與當(dāng)前巖巷快速掘進(jìn)的要求相匹配。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研可知，作業(yè)人員在實(shí)際施工過程中隨意性較大，主要依據(jù)其經(jīng)驗(yàn)對炮眼進(jìn)行施工。從總體上分析可知，在當(dāng)前爆破方案下每天正常可推進(jìn)工作面的長度為3～5 m，每月可推進(jìn)工作面的長度為100～120 m，與當(dāng)前快速掘進(jìn)的推進(jìn)效率相差較大。因此，急需對325巖巷的爆破方案進(jìn)行優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)對其快速掘進(jìn)[3]。

3 巖巷掘進(jìn)工藝的優(yōu)化

經(jīng)對掘進(jìn)方案進(jìn)行研究可知，影響其掘進(jìn)效率的主要因素為炮眼的鉆眼速度過慢。因此，通過提升鉆孔的速度保證巖巷的掘進(jìn)效率。為此，西銘礦專門引入CMJ系列的全液壓掘進(jìn)鉆車，大大提升了巖巷炮眼的鉆孔速度。除此之外，影響掘進(jìn)效率的另一重要因素為爆破效果，而影響爆破效果的主要因素為掏槽孔的布置和起爆順序的設(shè)計(jì)。因此，本節(jié)將重點(diǎn)對325巖巷掏槽方式進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié)合引入全液壓掘進(jìn)鉆車的參數(shù)，初步確定兩套優(yōu)化方案：

方案一：兩個(gè)中心眼，對應(yīng)炮眼深度為2.5 m，炮眼間距為0.4 m，每個(gè)炮眼的裝藥量為1.5 kg；6個(gè)主掏槽眼，對應(yīng)炮眼的深度為2.4 m，炮眼間距為0.4 m，每個(gè)炮眼的裝藥量為1.8 kg；4個(gè)輔助掏槽眼，對應(yīng)炮眼的深度為2.4 m，炮眼間距為0.4 m，每個(gè)炮眼的裝藥量為1.8 kg。起爆順序?yàn)椋褐行难郏ㄖ魈筒垩郏o助掏槽眼[4]。

方案二：兩個(gè)中心眼，對應(yīng)炮眼深度為2.1 m，炮眼間距為0.4 m，每個(gè)炮眼的裝藥量為1.5 kg；6個(gè)主掏槽眼，對應(yīng)炮眼的深度為2.13 m，炮眼間距為0.4 m，每個(gè)炮眼的裝藥量為1.8 kg；4個(gè)輔助掏槽眼，對應(yīng)炮眼的深度為2.03 m，炮眼間距為0.4 m，每個(gè)炮眼的裝藥量為1.8 kg。起爆順序?yàn)椋褐行难郏ㄖ魈筒垩郏o助掏槽眼。

為具體確定上述兩種優(yōu)化方案的爆破效果，本節(jié)結(jié)合325巖巷的實(shí)際情況建立數(shù)值模擬模型，模型寬度為2.75 m，高度為1.6 m，對兩種爆破方案下炮眼孔壁的有效應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 不同爆破方案下的數(shù)值模擬結(jié)果

分析表1可知，方案二中的峰值應(yīng)力值21 GPa大于方案一的17 GPa；方案二中最大有效應(yīng)力值的522 MPa大于方案一的491 MPa。即，基于爆破方案二掏槽方案對應(yīng)巖層的主要應(yīng)力參數(shù)均大于方案一，說明方案二的掏槽方案優(yōu)于方案一。因此，掘進(jìn)工藝為本節(jié)提出的方案二，具體炮眼的掏槽角度為70°，掏槽深度為2 m。

4 結(jié)論

1）采用全液壓鉆機(jī)替代氣腿式鑿巖機(jī)可大大提升炮眼的鉆孔效率和成型質(zhì)量；

2）對炮眼的掏槽角度、深度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，保證其主要應(yīng)力參數(shù)為最佳，并最終確定適應(yīng)于325巖巷的最佳掏槽角度為70°，掏槽深度為2 m。