淺談煤礦巖巷掘進(jìn)施工方法的選擇與優(yōu)化

【摘 要】巷道掘進(jìn)速度是影響礦井建設(shè)進(jìn)度的主要因素。就目前而言，掘進(jìn)施工方法包括鉆爆法和掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)法兩大類。前者具有適應(yīng)性強(qiáng)、操作靈活等特點(diǎn)，在我國巖巷掘進(jìn)中仍占據(jù)很大比重，但由于掘進(jìn)速度過慢，限制了其優(yōu)勢的發(fā)揮。后者具有掘進(jìn)速度快的特點(diǎn)，但成本投入費(fèi)用高，在某些情況下也存在缺陷。通過分析兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，并考慮到影響巖巷掘進(jìn)施工方法選擇的主要因素，可以作為掘進(jìn)施工方法選擇與優(yōu)化的重要憑證。

【關(guān)鍵詞】煤礦；巖巷掘進(jìn)；鉆爆法；掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)法；選擇與優(yōu)化

0.前言

巖巷掘進(jìn)工程是礦井建設(shè)的重要組成部分。由于巖巷巖石普氏系數(shù)f較大，使得巷道施工過慢成為礦井建設(shè)的阻力。目前我國采用的破巖掘進(jìn)施工方法大體可分為兩類，一是鉆爆法，二是掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)法，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，并有各自的適用條件。本文正是基于兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較與適用條件分析，來研究在巖巷掘進(jìn)中如何選擇掘進(jìn)施工方法這一重要課題。

1.鉆爆法掘進(jìn)

鉆爆法在我國巖巷掘進(jìn)中仍占據(jù)很大比重。其主要優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)準(zhǔn)備快，對巖石適應(yīng)性強(qiáng)， 移動靈活，對技術(shù)故障和遇到地質(zhì)斷層較容易處理，而且工效高、成本低。近年來鉆爆法在施工機(jī)械設(shè)備與施工技術(shù)方面均有很大的改進(jìn)和提高，，但仍存在其平均掘進(jìn)速度較低，難以組織多工序交叉作業(yè)，各工序技術(shù)水平參差不齊，爆破時常產(chǎn)生超爆，有炮煙危害等缺點(diǎn)。鑿巖爆破占到施工時間的1/3～1/2，是整個施工方法中的主要工序。傳統(tǒng)鑿巖爆破采用氣腿式輕型鑿巖機(jī)，此機(jī)移動靈活，便于操作，占地面積小，可多臺鉆機(jī)同時鉆眼，并且可以鉆裝平行作業(yè)。但在勞動強(qiáng)度、打眼速度和深度方面限制較大。上世紀(jì)中后期液壓鑿巖機(jī)逐漸運(yùn)用在巖石強(qiáng)度較低的巷道掘進(jìn)中，主要優(yōu)點(diǎn)為：①鉆眼速度快、效率高，一般在中硬巖中鉆速可以達(dá)到1.5～2.0m/min，沖擊效率可達(dá)45%～55%，能量利用率為30%～40%；②推力恒定、無回彈現(xiàn)象、噪聲小、油霧少，改善了工作環(huán)境；③扭矩大，可鉆深孔、大孔，為深孔光面爆破提供了有利條件。

使用炸藥的破巖成本遠(yuǎn)比機(jī)械破巖低。在對2種方法進(jìn)行比較時，主要看鉆孔和機(jī)械開挖的能耗指標(biāo)。在硬巖中采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時電耗為9～22kw.h/m3，用風(fēng)動鑿巖設(shè)備每鉆1m炮孔的電耗為0.9～1.6kw.h/m3，如每平方米工作面上鉆4個炮孔，正常情況下電耗為4kw.h/m3。

2.綜合機(jī)械化掘進(jìn)

2.1全斷面掘進(jìn)機(jī)

全斷面掘進(jìn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：開拓速度比鉆爆法高，作業(yè)成本與固定成本之比較為有利，因此具用較好的的經(jīng)濟(jì)價值。全斷面掘進(jìn)機(jī)不僅掘進(jìn)施工速度快，而且與鉆爆法相比，成本也不會太高，而且新掘進(jìn)巷道穩(wěn)固性較好。其缺點(diǎn)是：①必須保持掘進(jìn)作業(yè)不中斷，只有掘進(jìn)較長巷道并保持較高的掘進(jìn)速度才較為經(jīng)濟(jì)；②多數(shù)全斷面掘進(jìn)機(jī)只能掘進(jìn)圓形斷面巷道，下部需要回填；③不能開挖支巷及彎道等；④全套設(shè)備投資很高，裝拆運(yùn)輸費(fèi)用也很高；⑤難以通過斷層。

2.2部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)

采用部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)掘進(jìn)的主要優(yōu)點(diǎn)是：可提高沿巖石層理巷道的掘進(jìn)速度，改善經(jīng)濟(jì)效益；巖層整體性不受破壞；可按設(shè)計斷面掘進(jìn)，從而可改善支護(hù)條件和降低維修費(fèi)用；可迅速探明采區(qū)情況，提早作回采準(zhǔn)備，事故率低等。但是這種掘進(jìn)方法也有一定的缺陷：①機(jī)械設(shè)備昂貴，還需要附加通風(fēng)除塵、中間運(yùn)輸工具以及后續(xù)設(shè)備的投資；②準(zhǔn)備工作量大（運(yùn)輸前的拆卸、巷道中的運(yùn)輸及安裝等）；③考慮經(jīng)濟(jì)性要求，掘進(jìn)巷道長度不應(yīng)小于600m；④設(shè)備笨重龐大，移動及轉(zhuǎn)彎不方便；⑤遇到含有大量的硬巖時截齒極易磨損，導(dǎo)致掘進(jìn)速度和經(jīng)濟(jì)效益都會降低；掘進(jìn)機(jī)及配套設(shè)備轉(zhuǎn)移到新的作業(yè)點(diǎn)花費(fèi)時間較多；⑥起始作業(yè)和設(shè)備安裝空間仍需用其他方法代替，設(shè)備的利用率即純掘進(jìn)時間多在30%以下。

3.掘進(jìn)方法選擇的影響因素

（1）巖石抗壓強(qiáng)度。巖石抗壓強(qiáng)度是影響掘進(jìn)施工經(jīng)濟(jì)性的主要因素，即選擇掘進(jìn)施工方法時應(yīng)根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度做出合理選擇，如在巷道巖石普氏系數(shù)極大的情況下不易采用部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)掘進(jìn)，而鉆爆法和全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)比較適宜。如果采用全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，那么就需考慮設(shè)備投資與刀具成本問題。影響刀具成本的相關(guān)因素除巖石抗壓強(qiáng)度外，還要考慮巖石磨蝕性。一般來說，巖石磨蝕性越大，則刀具磨損程度也就越劇烈。就目前面言，全斷面掘進(jìn)機(jī)的極限切割速度為70～120m/min，超過這個極限值刀具的磨損程度同樣會加劇。

（2）巖層對掘進(jìn)機(jī)的支撐條件。全斷面掘進(jìn)機(jī)必須依托可靠支撐才能充分利用鉆進(jìn)推力，這是它與鉆爆法、部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)的根本不同之處掘進(jìn)不同。在不穩(wěn)定巖層中，巖層提供的支撐力不強(qiáng)，導(dǎo)致全斷面掘進(jìn)機(jī)需要設(shè)計成護(hù)盾模式，因此增加了其設(shè)計成本。

（3）運(yùn)輸及裝配。使用全斷面掘進(jìn)機(jī)，遷移和安裝是個重要問題。在礦井和主巷道中運(yùn)輸時拆卸成零部件，而裝配時需要一定的空間（長25m，凈斷面50m2），另外為了從裝配地點(diǎn)開始掘進(jìn)，還要掘10m長的筒狀起始巷道，其直徑應(yīng)比全斷面掘進(jìn)機(jī)刀盤大20cm左右。使用部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)時，掌握并組織好運(yùn)輸裝配，掘進(jìn)支巷和彎道以及穿過斷層的作業(yè)是經(jīng)濟(jì)掘進(jìn)的重要前提。

（4）對地質(zhì)斷層的適應(yīng)性。地質(zhì)斷面對于各種掘進(jìn)方式都是不可忽視的因素。提高整個機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)利用率的另一個前提是掘進(jìn)機(jī)在破碎巖石中掘進(jìn)時必須得到可靠的支撐，并能順利通過地質(zhì)斷層。在這種條件下，比較靈活的鉆爆法掘進(jìn)優(yōu)于掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，但隨著機(jī)械化程度的提高，鉆爆法掘進(jìn)的優(yōu)勢在降低。

（5）巖體控制與穩(wěn)定性。全斷面掘進(jìn)與鉆爆法掘進(jìn)相比，除了掘進(jìn)速度高外，還有一些系統(tǒng)本身固有的優(yōu)點(diǎn)，如開挖出的巷道幫壁較光滑，有利于支護(hù)；可以靠近工作面緊接著掘進(jìn)連續(xù)進(jìn)行支護(hù)；支護(hù)受力均勻，其承載能力比與巖石貼合不良的支護(hù)大數(shù)倍。而鉆爆法往往造成圍巖松動。采用部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)掘進(jìn)往往也不能準(zhǔn)確地按設(shè)計斷面掘出巷道。國外曾對18條回采巷道（煤層厚1.8m）的掘進(jìn)超差情況作了測量，有11條鉆爆掘進(jìn)的巷道平均超差2cm，最高超差28cm。7條巷道用部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)掘進(jìn)平均超差29cm，最高超差38cm，如果采用光面爆破技術(shù)，鉆爆法掘進(jìn)的結(jié)果肯定會更好一些。斷面超差問題對掘進(jìn)的經(jīng)濟(jì)性有重要關(guān)系。

（6）除塵。在鉆爆法掘進(jìn)中可以采用濕式鑿巖防塵，爆破作業(yè)結(jié)束后用通風(fēng)機(jī)將煙塵排除。掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)中的除塵是個大問題。全斷面掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時除塵耗費(fèi)極高，且要求不間斷掘進(jìn)。部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)掘進(jìn)也需要大功率除塵設(shè)備。行之有效的方法是發(fā)展干式除塵機(jī)。人們正在研制小型大功率的除塵設(shè)備以適應(yīng)轉(zhuǎn)彎行進(jìn)。深部掘進(jìn)時由于地溫較高，加之機(jī)電設(shè)備不斷放熱，還要使用空調(diào)設(shè)備。

（7）掘進(jìn)速度和機(jī)械利用率。掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的主要優(yōu)點(diǎn)是平均掘進(jìn)速度高，純掘進(jìn)速度和機(jī)械利用率是巷道掘進(jìn)機(jī)2個重要的指標(biāo)。純掘進(jìn)速度可根據(jù)刀盤每旋轉(zhuǎn)一周滾刀的切人深度和刀盤轉(zhuǎn)速來確定。刀具切人深度除了與巖石條件有關(guān)外，還取決于刀盤的結(jié)構(gòu)，刀具的種類、數(shù)量及其配置等情況。提高機(jī)械的利用率是加快掘進(jìn)速度的關(guān)鍵，這要求對其配套作業(yè)進(jìn)行很好的組織。通常支護(hù)時掘進(jìn)機(jī)工作間斷時間過長，導(dǎo)致部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)利用率大多不超過30%。

4.結(jié)論

（1）鉆爆法與掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)法都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)與適用條件，在巖巷掘進(jìn)施工方法選擇時兩都的優(yōu)缺點(diǎn)與適用條件應(yīng)做為重要參考。

（2）文中分析了掘進(jìn)方法選擇的影響因素，至于選擇何種方法，應(yīng)結(jié)合礦井掘進(jìn)施工條件，并綜合分析所列因素，從而做出最優(yōu)選擇。

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