煤礦井下巷道高速掘進方案的應用研究

楊和平

（霍州煤電集團河津五星煤業有限責任公司，山西 河津 043300）

引言

隨著以采煤機、液壓支架、刮板輸送機為代表的高自動化綜采設備的不斷投入使用，煤礦井下的綜采作業效率得到了極大提升，但目前井下巷道的掘進作業主要依靠掘進機進行。當前由于煤礦地質條件復雜，對巷道掘進質量要求較高，導致井下巷道掘進效率約為3.1 m/d，不僅效率低而且掘進成本高，嚴重影響了井下綜采作業的經濟性。因此，提出了一種新的煤礦井下巷道高速掘進方案。

1 深孔爆破方案

由于煤礦井下巷道處的地質分布多由細砂巖、石灰巖或砂質泥巖構成，巖石硬度大但脆性好、延伸性強，在受膨脹力作用下極易出現脆性斷裂，因此結合深孔爆破和淺孔爆破[1]的實際特性及爆破效果，最終采用了深孔爆破方案，該方案具有打孔速度快、爆破效果好和經濟性好的優點。

在進行爆破方案的設計時，結合井下爆破鉆孔的要求和操作便捷性，采用了鉆裝機組打眼的方案，采用直徑為42 mm的鉆頭，以準直眼掏槽的方式進行鉆進作業，鉆孔的中心眼深度設置為2 000 mm，鉆孔的周邊眼和輔助爆破眼深度均設置為1 800 mm，各個爆破輔助眼之間的距離設置為450 mm。為了保證爆破效果，輔助爆破眼應該均勻地設置在爆破孔的周圍，爆破孔之間的距離在500 mm 左右，以保證爆破時能夠一次到位。在進行爆破孔裝藥選擇時，根據鉆孔的深度選擇裝藥量為2 kg/m3，爆破孔內炸藥藥芯的直徑選擇為35 mm，滿足填裝便捷性需求，井下爆破孔的選擇可按照5～6 個/m3設計。井下巖石的硬度越大，爆破孔的數量要求越多；巖石硬度越小，其爆破孔的數量要求越少[2]。

某礦井下巷道主要由細砂巖、石灰巖和砂質泥巖構成，細砂巖的厚度為4.7 m、石灰巖的厚度約為2.6 m、砂質泥巖的厚度為3.9 m，巖層的綜合抗拉強度為5.36 MPa，屬于典型的硬質巖層結構。巷道的寬度為4 600 mm、高度為3 000 mm，巷道的橫截斷面的面積約為13.8 m2，共設置爆破孔82 個，炮孔分布及截割參數如圖1 所示。

圖1 井下巷道炮孔布置結構示意圖（單位：mm）

2 爆破孔間距確認

爆破孔間距的設置直接關系到煤礦井下爆破的效率和安全性，傳統的爆破方案中對爆破控制間距的選擇主要是依賴于爆破手的實際工作經驗，隨意性較大，缺乏理論判斷依據，難以實現井下爆破的標準化和參數量化。經過多次驗證，本文提出采用數字化爆破模擬分析軟件[3]對爆破方案進行仿真分析的方法，首先建立井下巖壁的地質結構模型，然后通過地質測量將獲取的地質特征參數輸入數字化爆破模擬分析軟件中，模擬巖層的物理屬性。

以上述煤礦井下地質結構為模擬研究對象，建立起巖層結構模型，分別對爆破孔間距為400 mm、450 mm、500 mm、550 mm 情況下的爆破效果進行對比分析，結果如下頁圖2 所示。

圖2 不同爆破孔間距情況下的爆破效果

由圖2 可知，當爆破孔的間距為400 mm 時，巖層的爆破范圍最廣，但是在巖層的外側出現了垮塌，而且巖層內側會產生極大的集中應力，導致在巷道掘進過程中出現垮塌，給巷道掘進安全帶來較大的隱患。當爆破孔的間距為450 mm 時，爆破孔外側出現了輕微的垮落，巖層內部爆破范圍相對較廣但未出現集中應力，能夠在掘進過程中表現出較高的穩定性。當巷道爆破孔的間距設置為500 mm 時，內部爆破范圍明顯縮小，而且在爆破后內部存在某一點的集中應力，不利于巷道掘進時的穩定性。當爆破孔的間距為550 mm 時，巷道爆破范圍最小，直徑約為2.6 m，未達到預期的爆破效果。通過在某礦井下的實際應用，實際的爆破效果和仿真分析結果一致，表明了該爆破仿真分析效果的準確性。其對于快速確定爆破參數，選擇最優爆破方案具有十分重要的意義。

3 巷道掘進設備選型

傳統井下巷道掘進過程中所采用掘進設備主要是掘進機，但掘進機的截割機構在掘進中截齒磨損嚴重，使用成本高，而且在截割作業中受巖壁硬度變化的影響，掘進機極易產生過大負荷而導致電機損壞，使得整體使用效率較低。結合新的炮掘工藝需求，本文提出采用CMZY2-120型鉆裝機方案[4]，該設備自動化程度高，只需要1 個作業人員就能夠完成鉆進、清理和裝載作業，防護性能好，可有效防止在掘進過程中由于垮落而導致的人員傷亡事故。

CMZY2-120型鉆裝機設備采用了濕式作業方式，能夠有效地抑制清理和裝載過程中產生的粉塵，使得設備整體結構小、操作靈活性高、裝載速度快、穩定性好，能夠與輸送機和轉載機配套使用，聯合作業穩定性好，能夠有效地提升井下巷道掘進作業效率。

采用傳統的掘進機單一掘進作業方案，掘進機截齒磨損速度快，每個作業周期內需要多次停機更換磨損的截齒，綜合掘進速度僅能達到3.1 m/d，效率低，成本高，作業過程中還會產生大量的粉塵，影響井下掘進安全性，每個循環所用時間約為7 h。而當采用全新的煤礦井下巷道高速掘進方案后，爆破巷道表面平整，無須進行二次截割作業，綜合掘進速度達到5.4 m/d，完成一個循環的時間約為5.1 h，巷道掘進質量和效率均得到了顯著提升，整體的掘進成本比優化前降低了約14.2%。目前該方案已經在多個煤礦進行了應用，并取得了較好的應用效果。

4 結論

1）深孔爆破具有打孔速度快、爆破效果好、經濟性好的優點。

2）爆破仿真分析效果的準確性，對于快速確定爆破參數、選擇最優爆破方案具有十分重要的意義。

3）新的煤礦井下巷道高速掘進方案，綜合掘進速度達到5.4 m/d，完成一個循環時間約為5.1 h，巷道掘進質量和效率均得到了顯著提升，整體的掘進成本比優化前降低了約14.2%。