巖巷高效快速掘進工藝及設備的優化

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

煤礦生產包括對巖巷的掘進和煤巷的開采，二者生產能力相互匹配才能保證煤礦高效、安全的生產。目前，煤巷開采設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。對于巖巷掘進而言，雖然其在機械設備和工藝方面較以往相比已經取得了極大的進步，但是掘進速度仍然無法與煤巷開采相匹配[1]。因此，在當前形勢下如何實現巖巷的快速、安全掘進是提升煤礦生產能力和采掘綜合水平的關鍵。本文將對巖巷高效快速掘進工藝進行優化。

1 工程概況

本工程為西銘礦325巖巷的掘進工程。325巖巷掘進完成后主要任務是對325煤巷中的作業人員、煤炭以及設備的運輸提供通道。除此之外，325巖巷還為通風系統中的進風巷道。經探測可知，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°；巖層平均硬度系數為11；整個325巖巷圍巖類型屬于茅口灰巖。

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

圖1 325巖巷斷面結構示意圖（單位：mm）

2 巖巷原掘進工藝研究

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

2.1 325巖巷原爆破方案

325巖巷原爆破方案中對應的炮眼布置情況如圖2所示。

圖2 原爆破方案對應的炮眼布置圖（單位：mm）

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

就從爆破效果來看，現場實際實施中發現如下問題：

1）由于325巖巷本身巖層的硬度系數較大，采用傳統的氣腿式鑿巖機施工時，平均鉆一個深度為2 m的炮眼所需時間為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，按照每鉆一個炮眼的時間為14 min，鉆完該工程中所需的55個炮眼總共經歷4.4 h。

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

3）目前，現場采用P-60B耙矸機對爆破后的矸石進行狀態，其效率低，勞動強度大，無法與當前巖巷快速掘進的要求相匹配。

經現場調研可知，作業人員在實際施工過程中隨意性較大，主要依據其經驗對炮眼進行施工。從總體上分析可知，在當前爆破方案下每天正常可推進工作面的長度為3～5 m，每月可推進工作面的長度為100～120 m，與當前快速掘進的推進效率相差較大。因此，急需對325巖巷的爆破方案進行優化以實現對其快速掘進[3]。

3 巖巷掘進工藝的優化

經對掘進方案進行研究可知，影響其掘進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效率。為此，西銘礦專門引入CMJ系列的全液壓掘進鉆車，大大提升了巖巷炮眼的鉆孔速度。除此之外，影響掘進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計。因此，本節將重點對325巖巷掏槽方式進行優化。

結合引入全液壓掘進鉆車的參數，初步確定兩套優化方案：

方案一：兩個中心眼，對應炮眼深度為2.5 m，炮眼間距為0.4 m，每個炮眼的裝藥量為1.5 kg；6個主掏槽眼，對應炮眼的深度為2.4 m，炮眼間距為0.4 m，每個炮眼的裝藥量為1.8 kg；4個輔助掏槽眼，對應炮眼的深度為2.4 m，炮眼間距為0.4 m，每個炮眼的裝藥量為1.8 kg。起爆順序為：中心眼（主掏槽眼）—輔助掏槽眼[4]。

方案二：兩個中心眼，對應炮眼深度為2.1 m，炮眼間距為0.4 m，每個炮眼的裝藥量為1.5 kg；6個主掏槽眼，對應炮眼的深度為2.13 m，炮眼間距為0.4 m，每個炮眼的裝藥量為1.8 kg；4個輔助掏槽眼，對應炮眼的深度為2.03 m，炮眼間距為0.4 m，每個炮眼的裝藥量為1.8 kg。起爆順序為：中心眼（主掏槽眼）—輔助掏槽眼。

為具體確定上述兩種優化方案的爆破效果，本節結合325巖巷的實際情況建立數值模擬模型，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力進行仿真分析，仿真結果如表1所示。

表1 不同爆破方案下的數值模擬結果

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

4 結論

1）采用全液壓鉆機替代氣腿式鑿巖機可大大提升炮眼的鉆孔效率和成型質量；

2）對炮眼的掏槽角度、深度等參數進行優化，保證其主要應力參數為最佳，并最終確定適應于325巖巷的最佳掏槽角度為70°，掏槽深度為2 m。