鉆爆法快速掘進技術優化研究

魏國帥

(陽泉煤業(集團)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

巖石巷道掘進是一項需要爆破、運輸、支護、通風等多個環節密切協調配合的工作，涉及到的機械設備眾多，工序復雜。巷道的快速掘進則要求在保證各工序正常運行的前提下，盡量加快正規循環進度，提高出矸和支護的效率，進而縮短巷道掘進的總時間。張學亮[1]認為，影響快速掘進的因素分為輸送速度、以巖巷掘進工作的安全性為中心點的外部因素以及巖巷掘進所處的巖層環境、巖層掘進技術的先進程度、巖巷掘進設備的先進程度、巖巷掘進工作管理人員的管理能力等內部因素。李剛，牛磊等[2-3]學者通過增加炮孔深度，以中深孔爆破技術為基礎，結合巖石力學分級指標和爆破理論，設計了硬巖掘進方案，并取得了成功；熊亮,鄭文強[4]通過增加自由面和補償空間的方式對掏槽孔布置進行優化，提出了雙孔裝藥矩形直眼掏槽技術，并應用于某礦區巷道掘進,取得了良好成果。陽煤一礦北翼新補膠帶運輸巷為大斷面巷道，在掘進過程中，出現了掘進進度緩慢，大塊矸石較多，爆破效果差等問題，不利于巷道的快速掘進，影響采區的正常接替和生產需求。因此，以該礦為工程背景，進行了鉆爆法快速掘進技術的優化，以期為解決類似問題提供參考。

1 工程背景及影響因素分析

1.1 工程背景

北翼新補膠帶運輸巷作為北翼采區的運輸大巷，屬全巖巷，設計長度1 802 m，服務年限30年。經頂底板窺視和巖石力學實驗得知，頂板為堅硬石灰巖，厚11.75 m，摩式硬度為12，底板為黑色泥巖，圍巖維護良好，無明顯的礦壓顯現。斷面凈寬4.7 m，凈高3.1 m，采用YT-29A型風鉆濕式鉆眼，毫秒延期電雷管一次起爆的方式爆破，耙巖機出矸，膠帶輸送機運輸。

該巷道掘進初期，平均每月進度不到60 m，每日正常循環進度不到2 m，炮眼利用率一般僅有60%～70%，爆破出的矸石塊度最大可達90 cm×70 cm，50 cm×50 cm以上塊度的矸石占總矸石爆出量的20%～30%，崩落距離可達20 m以上，常有崩壞掘進設備、支護設備和風筒的情況發生。

1.2 影響因素分析

1.2.1鉆孔布置方案不合理

該巷道原鉆眼布置見圖1，共布置炮眼48個，其中掏槽眼6個，輔助眼4個，周邊眼38個。掏槽眼水平間距2.1 m,垂直間距7.7 m，眼深2.0 m，角度74°.輔助眼間距1.1 m，與掏槽眼相距597 mm，眼深1.8 m，方向垂直于工作面。水平周邊眼間距410 mm，垂直周邊眼間距440 mm，與輔助眼相距600 mm，角度95°. 對于大斷面巷道，48個炮眼相對較少，分布稀疏，掏槽眼相距2.1 m，在這種情況下，應力波和沖擊波在炮眼周圍形成的裂隙未能較好的延伸和擴張，形成的破碎區范圍小，因此矸石塊度較大。

圖1 原方案炮眼布置圖

1.2.2施工和出矸方式落后

目前，該工作面鉆孔施工采用的是YT-29 A型風動式鑿巖機，該方式的優點為機動靈活，2人即可完成打眼任務，定位速度快，打眼角度便于控制，但是缺點在于打眼速度慢，巷道上部鉆孔難施工，必須站在堆積的矸石上進行施工。因此，鉆孔數目較多和巷道高度較大的巷道不適用。出矸方式采用的仍是較為落后的耙巖機出矸，出矸連續性差，鋼絲繩易磨損，牽引區容易發生事故，巷道斷面較大時需要多次更換鋼絲繩變向輪。

1.2.3其他影響因素

在生產組織方面，交叉平行作業狀況仍然有待改進，各工序銜接不到位的情況容易影響正常的掘進作業。支護不到位，巷道成型差，輔助工序和主要工序銜接配合不好，造成工作停滯，重復返工，導致不能完成正常循環。

2 鉆爆法快速掘進技術優化

2.1 鉆孔布置方案優化

針對原方案存在的問題，對方案進行了優化，炮眼數量增加到68個，增加了2個中心眼，眼深2 m，垂直于工作面；掏槽眼分為一級掏槽和二級掏槽，其中一級掏槽6個，為眼深1 m，角度68°的淺眼，以增大兩側巖石的自由面；二級掏槽8個，眼深2 m，角度73°；輔助眼9個，眼深增加到1.9 m，角度83°；周邊眼和底眼共計27個，眼深1.8 m，傾角均向外側偏3°；在輔助眼和周邊眼之間增加了16個二圈眼，眼深1.8 m，角度86°. 隨著炮眼數量的增加，眼間距也相應減小。具體變化情況見圖2.

圖2 優化后方案炮眼布置圖

2.2 施工和出矸方式優化

由于原施工和出矸裝備不適用該工作面，引入CMZY系列鉆裝機作為施工鉆孔和出矸的主要裝備。該機器是一種集鉆孔、破碎、裝載、運輸、行走、噴霧滅塵于一體的綜合鉆孔與裝載設備，具有多重功能，鉆眼速度快，能夠適應≥12 m2的大斷面工作面，出矸連續性好，能夠將大塊矸石破碎后運出。不同施工出矸方式時間消耗對比見表1.

通過表1可知，優化后每次正規循環可以節約206 min，節約了人力資源，如果增加工人操作機器的熟練度，還可以進一步減少施工和出矸所需要的時間。

2.3 其他措施

除了改變鉆孔方案和采用更先進的施工及出矸設備外，在生產組織上也進行了優化，將采用鉆裝機節約出來的人力轉向其他工作，如巷道清理、準備支護材料、攪拌噴漿材料等，可以提高輔助工作的效率，節約時間。每班專門增加爆破大矸工序，將大塊矸石有計劃爆破成d20 cm以內的小塊矸石，便于鉆裝機進行出矸作業。對風筒等容易被矸石砸壞的機械設備，采用木板、廢舊膠帶等進行專門的保護，設備盡量后撤到距離工作面40 m之外。

表1 時間消耗對比表

3 工程實踐

對北翼新補膠帶運輸巷進行技術優化后，進行了掘進實驗，目前該巷道每月平均進尺100 m，比優化前增加60%，每日正規循環進度可達3 m，大矸數量和崩壞機械設備的情況明顯減少，殘眼率下降到10%以下。

4 結 論

1) 巖石巷道快速掘進效率主要取決于爆破方案、出矸方式、施工方式等若干因素，還與巷道成型、輔助工作和支護等有關。

2) 通過增加炮眼數量，調整掏槽眼分布、增加二圈眼和中心眼，縮小眼間距等措施改進炮眼布置方式，有效提高了爆破效率，減少了大塊矸石。

3) 通過優化施工和出矸裝備，改用CMZY系列鉆裝機可以減少206 min的時間消耗，提高施工和出矸效率，有助于合理調配施工人員，提高整體的施工效率和循環進度。