深井下山巷道快速掘進技術研究

劉 輝 孫立田 劉培海 秦忠誠 劉公君 李登月

(1.肥城礦業(yè)集團 楊營能源有限責任公司，山東 梁山272622；2.山東科技大學，山東 青島266590)

0 工程概況

楊營煤礦3100 擴區(qū)下山為3300 采區(qū)3下煤層開采服務，開采范圍為-750m～-1180m。其中3下煤層為一單斜煤層，埋藏較深，且有火成巖侵入，煤層產(chǎn)狀穩(wěn)定，煤層傾角17°左右，平均煤厚2.36m?；卷敒?5.6m 厚粉砂巖、細砂巖、巖漿巖，直接頂為5.72m 厚中砂巖細砂巖，直接底為0.43m 厚泥巖，基本底12.26m 厚粉砂巖細砂巖。

該區(qū)瓦斯絕對涌出量為0.3m3/min，3下煤自燃傾向性等級為Ⅲ類，屬不易自燃煤層，自然發(fā)火期為105d，無煤塵爆炸危險性。采區(qū)正常涌水量為130m3/h，最大涌水量為194m3/h，掘進期間需做好水文地質(zhì)的物探工作，并對已探明的富水區(qū)實施鉆探，進行有目的的疏放。

1 巷道快速掘進新技術

針對楊營煤礦3100 擴區(qū)下山傾角大、地應力高的特點，以及楊營煤礦具體的生產(chǎn)條件，提出了巖巷快速掘進機械化作業(yè)線配置、采用高應力堅硬圍巖條件下的巷道快速鉆爆技術，實現(xiàn)巖巷、半煤巖巷的快速掘進。

1.1 巖巷快速掘進機械化作業(yè)線配置

據(jù)實地考察，楊營煤礦現(xiàn)有的掘進面配置與深部復雜開采條件不能很好地適應，具有鉆孔速度慢、扒裝能力差，且扒裝機移設速度慢、循環(huán)進尺小以及提升能力不足等特點。針對現(xiàn)有作業(yè)線的不足，因地制宜提出了機械化作業(yè)線：扒裝機+皮帶運輸機+矸石倉作業(yè)線，充分發(fā)揮了機械化作業(yè)線最大效能，實現(xiàn)了大斷面巖巷安全高效掘進。

1.2 鉆爆新技術

隨著開采深度的不斷增加，巷道鑿巖成孔和爆破的難度不斷增加，呈現(xiàn)出鉆孔效率低、爆破效果差、循環(huán)進尺小的現(xiàn)狀，原有的掘進鉆爆技術已不能滿足生產(chǎn)需求，嚴重影響了巷道掘進速度。為此，楊營煤礦需借鑒國內(nèi)外先進的鉆爆新技術：

1.2.1 新型定向斷裂成形控制技術

該技術采用巖石定向斷裂爆破裝置，如圖1 所示。把圓柱形工業(yè)炸藥卷裝入內(nèi)壁軸線方向有對稱V 形突起1 的無毒塑料管2，藥卷自身結構發(fā)生改變變?yōu)楫愋嗡幇?，沿軸向被壓制成聚能穴4。將該裝置裝入巷道巖體開挖輪廓線上的鉆孔中，使聚能穴朝向炮孔連心面方向，炮孔與炮孔之間的距離為傳統(tǒng)爆破方法的1.5～2.0 倍。爆破后，聚能穴處的爆轟產(chǎn)物向其對稱軸線的方向集中，匯聚成速度和壓力很高的射流，該高速高壓射流直接作用到孔壁上，使對應于聚能穴方向的炮孔孔壁上形成優(yōu)勢裂縫，而后爆生氣體迅速涌入裂縫，促進裂縫擴展，形成沿炮孔連心面的光滑斷面。

圖1 定向斷裂爆破裝置示意圖

相比于傳統(tǒng)的爆破技術，新型定向斷裂成形控制技術減少了鉆孔數(shù)量和炸藥消耗，巷道成型質(zhì)量好，有效減輕了勞動強度，提高了作業(yè)效率。

1.2.2 多向聚能爆破技術

該技術采用如圖2 所示的多向聚能爆破裝置，把圓柱形炸藥藥卷裝入內(nèi)壁帶有5～8 個V 型突起1 的塑料管2，塑料管長度略大于裝藥長度，外徑小于炮孔直徑。藥卷因受擠壓作用而變?yōu)楫愋嗡幇?，在V型突起部位形成聚能穴。裝置引爆后，爆炸能量沿聚能穴方向產(chǎn)生匯聚，形成高速聚能射流作用到炮孔周圍巖石上，使孔壁上預先形成多條具有擴展優(yōu)勢的徑向裂紋，隨后爆生氣體迅速涌入裂紋，進一步推動裂紋擴展。而在聚能穴方向以外的其它方向上，塑料管對爆炸產(chǎn)物的阻礙作用和裂紋擴展的擇優(yōu)特性使原生裂隙的擴展受到抑制。同時，由于爆破裝置使爆炸能量發(fā)生轉化，部分能量用于射流侵徹作用，大大降低了爆炸沖擊波對孔壁的沖擊，因而可避免或減小壓碎區(qū)的形成。

圖2 多向聚能爆破裝置

相比于傳統(tǒng)爆破技術，多向聚能爆破技術可大大減少炮孔數(shù)量和裝藥量，減少一次起爆藥量，避免發(fā)生爆破危害，減輕對保留巖體的擾動，提高爆破施工效率并減輕勞動強度。

1.2.3 高效復式掏槽技術

高效復式掏槽技術主要工藝流程如下：

（1）在巷道對稱軸上按設計鉆取雙空掏槽眼；

（2）以空孔為對稱中心，鉆鑿較淺的一階楔形掏槽眼；

（3）在楔形掏槽形成的空腔為自由面，均勻布置大深度的二階筒形掏槽。

復式掏槽技術結合上述多向聚能爆破技術，可充分利用空孔空間、楔形掏槽和筒形掏槽的各自優(yōu)點，更易于形成新的可靠的自由面，可明顯改善目前3100 擴區(qū)下山掏槽爆破效果。

1.2.4 中深孔光爆技術

在巖巷掘進中，增加炮眼深度，采用中深孔爆破技術，可以增加循環(huán)進尺，增加一次爆破巖石量，減少打眼裝藥等工序的輔助時間，有利于提高掘進速度和工效。

光面爆破是一種先進、科學的爆破方法，可使掘出的巷道輪廓平整光潔，便于采用錨噴支護，圍巖裂隙少、穩(wěn)定性高，超挖量小，是一種成本低、工效高、質(zhì)量好的爆破方法。

2 巷道平衡支護技術

由于3100 擴區(qū)下山埋深較大，巷道圍巖軟巖特性十分明顯，呈現(xiàn)出高應力、大變形、難支護的特點，傳統(tǒng)的錨桿支護理論對此具有一定的局限性，且常規(guī)的錨網(wǎng)已經(jīng)不能滿足巷道支護要求。

預應力-讓壓平衡支護技術在預應力支護與高強錨桿的基礎上，通過平衡巷道變形和圍巖應力來控制巷道開挖后的原巖應力與位移，達到使支護結構與巷道位移及應力在合理范圍內(nèi)協(xié)同變化。對3100擴區(qū)下山的支護可起到明顯的改善效果。

支護參數(shù)的合理與否是決定平衡支護成功與否的關鍵，3100 擴區(qū)回風下山采用斜矩形斷面，荒寬B荒=4100mm，荒高H荒=2750mm，荒面積S荒=11.28m2； 凈寬B凈=3800mm，凈高H凈=2600mm，凈面積S凈=9.9m2，采用高強預應力錨網(wǎng)索支護，錨桿規(guī)格為Φ20×2400mm，間排距為900×900mm，配150×150×8mm 托盤，預緊力不低于40kN。在頂板錨桿之間布置錨索，規(guī)格為Φ17.8×6300mm，間排距1800×2700mm，配200×200×10mm 托盤，預緊力不低于100kN，支護方案如圖3 所示。

圖3 3100 擴區(qū)回風下山支護方案

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對3100 擴區(qū)回風下山的支護效果進行數(shù)值模擬，由數(shù)值分析可知：采用此支護方案，兩幫的最大位移量為44mm，頂板下沉量達38mm，底板位移最大為11mm，能較好的控制巷道變形量，滿足支護要求。

3 結論

3.1 針對上下山掘進生產(chǎn)特點及制約因素，結合楊營煤礦目前掘進生產(chǎn)裝備特點，因地制宜地推廣應用了機械化裝運作業(yè)線，實現(xiàn)了大斷面斜巷安全高效掘進。

3.2 根據(jù)楊營煤礦采用傳統(tǒng)爆破方法爆破過程中存在的問題，有針對性的提出了巷道鉆爆新技術，主要包括：新型定向斷裂成形控制技術、多向聚能爆破技術、高效復式掏槽技術以及中深孔光爆技術。

3.3 針對3100 擴區(qū)下山高應力、難支護的特點，提出了預應力-平衡支護技術，采用預應力高強錨桿、錨索進行支護，成功地控制了巷道變形，為巷道的快速掘進提供了安全保障。

［1］任廣學，邵鵬，蔚立元，楊大兵，范芝宇.多向聚能爆破爆破漏斗實驗研究[J].工程爆破，2012，18(2):1-4.