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 擴區下山為3300 采區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，煤層產狀穩定，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，自然發火期為105d，無煤塵爆炸危險性。采區正常涌水量為130m3/h，最大涌水量為194m3/h，掘進期間需做好水文地質的物探工作，并對已探明的富水區實施鉆探，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 擴區下山傾角大、地應力高的特點，以及楊營煤礦具體的生產條件，提出了巖巷快速掘進機械化作業線配置、采用高應力堅硬圍巖條件下的巷道快速鉆爆技術，實現巖巷、半煤巖巷的快速掘進。

1.1 巖巷快速掘進機械化作業線配置

據實地考察，楊營煤礦現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、循環進尺小以及提升能力不足等特點。針對現有作業線的不足，因地制宜提出了機械化作業線：扒裝機+皮帶運輸機+矸石倉作業線，充分發揮了機械化作業線最大效能，實現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，呈現出鉆孔效率低、爆破效果差、循環進尺小的現狀，原有的掘進鉆爆技術已不能滿足生產需求，嚴重影響了巷道掘進速度。為此，楊營煤礦需借鑒國內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。把圓柱形工業炸藥卷裝入內壁軸線方向有對稱V 形突起1 的無毒塑料管2，藥卷自身結構發生改變變為異形藥包3，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爆破方法的1.5～2.0 倍。爆破后，聚能穴處的爆轟產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

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

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為異形藥包3，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，塑料管對爆炸產物的阻礙作用和裂紋擴展的擇優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的形成。

圖2 多向聚能爆破裝置

相比于傳統爆破技術，多向聚能爆破技術可大大減少炮孔數量和裝藥量，減少一次起爆藥量，避免發生爆破危害，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點，更易于形成新的可靠的自由面，可明顯改善目前3100 擴區下山掏槽爆破效果。

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、穩定性高，超挖量小，是一種成本低、工效高、質量好的爆破方法。

2 巷道平衡支護技術

由于3100 擴區下山埋深較大，巷道圍巖軟巖特性十分明顯，呈現出高應力、大變形、難支護的特點，傳統的錨桿支護理論對此具有一定的局限性，且常規的錨網已經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協同變化。對3100擴區下山的支護可起到明顯的改善效果。

支護參數的合理與否是決定平衡支護成功與否的關鍵，3100 擴區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索支護，錨桿規格為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 擴區回風下山支護方案

采用FLAC3D數值模擬軟件對3100 擴區回風下山的支護效果進行數值模擬，由數值分析可知：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特點及制約因素，結合楊營煤礦目前掘進生產裝備特點，因地制宜地推廣應用了機械化裝運作業線，實現了大斷面斜巷安全高效掘進。

3.2 根據楊營煤礦采用傳統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.