基于懸臂掘進機性能的礦巖綜合分級方法

武茂超,萬 鵬,姚樹標

(山東黃金礦業(玲瓏)有限公司)

引 言

在巷道開挖工程中,懸臂掘進機憑借自身開挖擾動小、精準、污染小、工作效率高等優點,在礦山機械化開采中逐漸被廣泛應用。但是,礦山工程地質條件對懸臂掘進機的適用性有一定的限制作用,同時懸臂掘進機自身工作性能對開挖也有一定影響。因此,需研究考慮礦巖質量及懸臂掘進機工作性能的綜合分級方法。

此前多種圍巖分級方法主要是基于礦巖性質、圍巖穩定性等指標,如BQ分類法、RMR分級法、Q分類法等[1],采用該類分級方法取得了大量科研成果。郭亮等[2]通過對云南某磷礦進行現場考察并開展礦巖物理力學試驗,依據RMR分級法對該礦山的巖體質量和穩定性進行了評定。王洋等[3]以金山店鐵礦為工程背景,通過室內巖石力學試驗,綜合GSI圍巖分級系統等對圍巖進行分級,為采場穩定性分析提供有力支持。然而,這些研究成果不能為礦山掘進機機械化開采適應性提供依據。為此,大量學者開展了相關研究。王祥等[4]以貴陽地鐵1號線為工程背景,研究懸臂掘進機掘進過程中的圍巖分級方法,實現了對隧道掘進過程的準確預測,節約了施工成本,提高了工作效率。曹文貴等[5]在綜合考慮工程地質、機械裝備等因素的基礎上,以瞬時掘進速度為指標進行圍巖質量分級和三級模糊評價,豐富了巖體質量分級理論。劉保鑫等[6]以TBM工作性能為切入點進行了研究,總結TBM工作性能分布規律,建立了以TBM工作性能為巖體質量評價標準的圍巖分級方法。趙克明[7]充分考慮巖體和設備的相互作用,提出了適用于臂式掘進機的自適應圍巖分類BQ機的概念。

本文以山東黃金礦業(玲瓏)有限公司(下稱“玲瓏金礦”)靈山礦區為研究背景,首先考慮采場礦巖結構面的表面狀況及穩定性。在綜合考慮懸臂掘進機工作能力的基礎上,根據懸臂掘進機自適應分級給出了BQ機模型,建立可掘進性分級指標,最后綜合考慮2種指標評價方法,建立基于懸臂掘進機性能的礦巖綜合分級方法,并在現場進行驗證,取得了較好的效果。

1 工程概況

玲瓏金礦靈山礦區礦體賦存于蝕變型斷裂帶中,礦區巖石以破碎的蝕變花崗巖、鉀化花崗巖和糜棱巖、絹英巖為主。根據采掘資料,在距離蝕變破裂帶上盤1～1.5 m的區域,斷層泥和糜棱巖較多,整體穩定性較差,經常發生坍塌現象[8]。

礦區選用XTR4/180懸臂式隧道掘進機,相關技術參數見表1。

表1 XTR4/180懸臂式隧道掘進機技術參數

以開采現場情況為依據,本次試驗測定地點在玲瓏金礦靈山礦區-510 m水平-6勘探線—-9勘探線的分層巷道附近,選取6個區域綜合分析節理巖體表面狀況及圍巖穩定性。用ShapeMetrix 3D系統對各節理面進行掃描,將掃描得到的模型導入系統軟件中計算分析得到各區域節理面信息,結果見表2。

表2 節理面參數統計結果

2 懸臂掘進機地層適應性分級

工程地質情況和懸臂掘進機掘進速度是巷道圍巖掘進機適用性分級的主要分類標準。這種分類有助于明確懸臂掘進機的適用范圍,提高施工效率,前人對巷道采用的圍巖分類方法并不科學準確。因此,考慮巖石的單軸抗壓強度(RC)、巖石的硬度和耐磨性、巖體結構面發育程度(KV)、巖體基本質量指標(BQ)和其他因素的分級研究展開如下:

1)巖石的單軸抗壓強度(RC)。懸臂掘進機掘進作業過程中受巖石單軸抗壓強度的影響較顯著。由于巖體的拉伸、剪切強度遠小于其抗壓強度,懸臂掘進機在設計中也充分考慮了該力學性質。但是,巖石的單軸抗壓強度和抗拉強度之間存在一定的關聯性,所以懸臂掘進機的掘進難易程度受巖石單軸抗壓強度的影響較為顯著。

由XTR4/180懸臂式隧道掘進機的實際截割性能可知:巖石的單軸抗壓強度為40 MPa時,懸臂掘進機的切割性能最佳。巖石的RC<40 MPa時,隨著巖石單軸抗壓強度的增大,懸臂掘進機的掘進速度變快,但巖石單軸抗壓強度過低時,則易降低掘進效率;巖石的RC>40 MPa時,較大的巖石單軸抗壓強度易造成懸臂掘進機截齒的損耗,而更換懸臂掘進機截齒的過程則降低了其掘進速度。因此,合理的巖石單軸抗壓強度,不僅能夠加快掘進速度,還能保障巷道掘進結束后圍巖維持自穩。以巖石單軸抗壓強度為指標劃分懸臂掘進機利用率,結果見表3。

表3 巖石單軸抗壓強度適應性分值

2)巖石的硬度和耐磨性。根據先前的研究成果及隧道工程的實際情況,施工過程中的截齒磨損對懸臂掘進機的運行成本影響較大。而懸臂掘進機截齒的磨損不僅受巖石單軸抗壓強度的影響,而且受巖石內部礦物顆粒含量高低的影響也較為顯著。通常來講,巖石硬度越高,其耐磨效果越好,懸臂掘進機掘進過程中截齒的磨損更大,掘進效率更低。

3)巖體結構面發育程度(KV)。巖體結構面發育程度能夠表征巖體的裂隙化程度或巖體的完整程度,它也是影響懸臂掘進機施工效率的重要地質因素之一[9]。根據實際懸臂掘進機掘進速度與巖體完整程度之間的關系:當KV為0.55左右時,掘進速度最佳。KV過小會導致懸臂掘進機的掘進速度變慢。這是因為KV過小時,掘進施工結束后,圍巖沒有足夠的時間自穩;當KV大于0.55時,KV越大,懸臂掘進機的掘進速度越快。因此,只有當KV取值位于合理范圍內,才能保證施工結束后圍巖在一定時間內自穩的前提下,盡量提高掘進速度。以KV為指標劃分懸臂掘進機利用率,結果見表4。

表4 巖體結構面發育程度適應性分值

4)巖體基本質量指標(BQ)。巖體基本質量指標(BQ)是影響懸臂掘進機施工效率的重要因素,其指標值在某一合適范圍內,不僅能保證懸臂掘進機的工作效率,同時也能保證掘進后圍巖的穩定性。由大量工程實踐參數可知,BQ值在250～400時,施工效率最高。

5)其他因素。除上述總結的地質因素外,截齒磨損、巷道尺寸效應等對懸臂掘進機工作效率也存在一定的影響。

采用和差法對上述各指標的分值進行求和,以有效評估各指標對懸臂掘進機適應性分級的綜合影響。懸臂掘進機地層適應性可以通過計算適應性總分值確定,并預測懸臂掘進機的利用率,具體分級結果見表5。

表5 適應性分級及懸臂掘進機利用率預測

3 懸臂掘進機可掘進性分級

在BQ分級理論的基礎上,以巷道圍巖分級為基礎,綜合考慮巖體-機械設備相互作用來評判懸臂掘進機的工作性能,以構建懸臂掘進機的可掘進性分級。工程上BQ值的計算主要考慮KV和RC值[10],計算公式[11]如下:

BQ=90+3RC+250KV

(1)

式(1)中,巖體結構面發育程度與單軸抗壓強度的影響程度大致相當。為防止較大的RC值和KV值,提出限值公式:

1)當RC>90KV+30時,將RC=90KV+30和KV代入式(1)計算BQ值。

2)當KV>0.04RC+0.4時,將KV=0.04RC+0.4和RC代入式(1)計算BQ值。

3.1 構建分級體系BQ機模型

基于圍巖穩定性建立的BQ分級模型,未充分考慮巖體-機械相互作用。在懸臂掘進機的圍巖分級中,考慮巖體-機械相互作用是必要的?；谌珨嗝婢蜻M機圍巖分級模型的基礎,建立關于懸臂掘進機的圍巖分級BQ機模型。

(2)

式中:P為掘進功率(W)。

由經驗公式可得Q與BQ之間的關系,因此可以得到:

(3)

式中:P/RC為懸臂掘進機鉆掘指數RPI。

考慮地質因素和施工等對BQ機模型進行微調。根據懸臂掘進機截齒壽命指數CLI相關理論,在CLI低于20時,截齒使用壽命急劇下降,因此利用該值對CLI歸一化,作為影響因子代入式(3),得到考慮截齒磨損的修正后的BQ機模型為:

(4)

3.2 基于BQ機模型的可掘性分級

以玲瓏金礦靈山礦區工程實際數據為背景,對修正后的BQ機模型與掘進速度、凈掘進速度PR、前進速度AR間的相關性進行分析,建立懸臂掘進機開挖預測模型:

AR=PRtm

(5)

(6)

(7)

式中:AR為前進速度(m/h);PR為凈掘進速度(m/h);t為總時間(24 h/d,168 h/周等)。

將式(4)代入式(6)中,得到:

(8)

通常情況下,巖石基本質量指標BQ機越小,鉆掘指數越大,懸臂掘進機掘進則越為容易,截齒損耗也越小。而BQ機過小時,理論上的PR雖然很大,但巖石的自立時間變較短,必須及時采取一定的支護措施,減少懸臂掘進機使用,使實際前進速度大幅下降。根據巖體鉆掘難度和巖體自立時間,對巷道圍巖可掘進分級進行調整,具體見表6。

表6 根據BQ機的圍巖可掘進性分級

4 懸臂掘進機圍巖綜合分級

4.1 分級方法及步驟

懸臂掘進機圍巖綜合分級由2部分組成,分別為可掘進性分級與地層適應性分級。以玲瓏金礦靈山礦區開采的實際數據為依據,預測前進速度,并對懸臂掘進機施工圍巖進行綜合分級。前進速度的計算公式如下:

AR=PRU

(9)

式中:U為利用率(%)。

以式(9)、表5和表6為依據,可以計算得到施工前進速度的區間計算值(見表7)。分級的前進速度標準值取表7內預測區間的中值,見表8。分級前進速度取定后,懸臂掘進機圍巖施工綜合分級結果見表9。

表7 前進速度區間計算值 m/h

表8 前進速度標準值 m/h

表9 懸臂掘進機圍巖施工綜合分級結果

該懸臂掘進機礦巖綜合分級方法如下:

1)調查采場礦巖結構面參數及穩定性。

2)根據結構面信息得到相應的適應性分值,并依據表5進行適應性分級。

3)根據結構面信息計算BQ值及BQ機結果進行可掘進性分級劃分,得到其掘進難易程度。

4)綜合適應性分級結果及可掘進性分級結果,從而確定懸臂掘進機的綜合分級。

4.2 綜合分級方法應用

在懸臂掘進機綜合性分級研究后,為證明其實用效果,以玲瓏金礦靈山礦區-510 m水平-6勘探線—-9勘探線6個不同位置為例進行懸臂掘進機綜合性圍巖分級驗證。對-510 m水平-6勘探線—-9勘探線的懸臂掘進機綜合性分級計算步驟如下:

1)調查圍巖參數、堅硬程度、完整程度,結果見表10。

表10 試驗采場懸臂掘進機圍巖參數

2)根據表10進行初步地勘結果,對上述所提及各項因素進行打分,求出適應性總分值BQ及BQ機,并進行施工可掘進性分級,根據式(8)及式(9)計算得到掘進速度預測值,根據計算得出的適應性總分值和BQ機值,得到適應性分級結果,見表11。

表11 試驗采場懸臂掘進機適應性分級結果

3)適應性分級與可掘進性分級結果,共同確定懸臂掘進機施工綜合分級。施工前進速度能夠根據掘進速度預測值和利用率預測值計算得出,代入公式后估算懸臂掘進機施工工期和成本,結果見表12。

表12 試驗采場懸臂式掘進機綜合分級結果

5 結 論

基于巖體修正BQ分級方法,考慮圍巖與懸臂掘進機相互作用關系和截齒磨損等機械參數,提出了一種基于懸臂掘進機性能的礦巖綜合分級方法,并應用于玲瓏金礦靈山礦區,對試驗采場進行了圍巖綜合分級,結果合理可靠,適應性強。

1)通過借鑒圍巖分級影響因素,分析確定了懸臂掘進機適應性圍巖分級的主要地質因素和其他指標,分析指標與懸臂掘進機工作條件之間的關系,初步確定了懸臂掘進機工作的適應范圍。

2)建立考慮巖體-機械相互作用BQ機的概念,按修正的巖體基本質量指標分級,相應調整影響懸臂掘進機施工的因素參數,得到與實際情況更吻合的懸臂掘進機適應性分級和可掘進性分級。

3)提出了系統的懸臂掘進機綜合性分級方法,并以玲瓏金礦靈山礦區-510 m水平-6勘探線—-9勘探線工程為例進行懸臂掘進機綜合性分級驗證,分級結果合理可靠,適用性強,證明了該分級方法的合理有效性。