巖巷掘進技術及其施工設計

白 楊

（陽泉煤業集團和順新大地煤業有限公司， 山西 晉中 032700）

引言

隨著煤炭產業的不斷發展，巖巷掘進速度緩慢仍然是制約高效產煤的一項重大因素。影響掘進速度的首要因素為支護。據相關數據統計，在掘進循環系統中，支護進程占總進程的比例介于50%～60%之間[1]。選擇合理的支護形式即為關鍵因素。其次，影響高速掘進進程的因素還包括施工工藝不準確以及無針對性、現有設備應用機械化程度不高等制約因素。在進行鉆眼爆破進程中，需要首先確定爆破的參數、炮眼的布置等施工工藝，如若能對爆破機理進行系統的研究，則能避免由于爆破不恰當所引起的施工進程緩慢以及施工不安全等問題的產生[2-3]。除此之外，可對現有設備的組合進行優化來進一步達到高效的目的與要求。因此，要想提高整體掘進速度，任何一個環節都要保持高效，如何能夠更好地優化掘進進程的施工工藝尤為重要。

1 工程概況

本文以某煤礦-850 m 水平巷道為應用對象，據三維地震資料以及-600 m 巷道的相關資料，該巷道存在三個斷層，其編號分別是F11、10DF5、10DF9。其中F11 傾角為50°，落差為21 m；10DF5 傾角為40°～50°，落差為7～12 m；10DF9 傾角為50°～65°，落差為5～12 m。除此之外，在施工過程中還存在其他地質構造的隱患。在煤層底板12-1，該巷道的巖性分布層厚如圖1 所示。

圖1 數據表明，該巷道的層厚主要集中于灰色中砂巖，最大層厚可達33.16 m。該層厚中成分排序依次為灰巖、燧燧石、暗色巖屑，層面具有炭質膜。經過對巖石進行微觀以及X 射線衍射表征得出：該巖石結構密實，裂縫較少；巖石相對穩定，無膨脹性，不包含單一的蒙脫石；高嶺石為泥巖的重要組成部分，含量大約占比為39%，并不會由于過于吸水軟化所導致的吸水膨脹。

圖1 巷道煤層底板12-1 的巖層層厚

盡管某煤礦已進行了機械化作業，但施工工藝以及機械設備配套組合不完善仍是制約其高效高速掘進的主要因素。

2 巖巷掘進工藝研究及關鍵技術

巖巷掘進施工工藝主要包括支護、鉆眼爆破、綜合配套設備的選擇三大方面。

2.1 支護

錨噴支護為目前廣泛應用的支護材料[4]，其主要是在掘進過程中，對圍巖所鑿孔并在孔周插入錨桿達到人工加固的作用。同時，它需要依托圍巖自身的支撐力來保證巷道的安全性。除此之外，通過圍巖錨固后，再加固一層噴混凝土技術將更加牢固。多采用噴護等級為C15-C20 的噴混凝土技術。而普通支護的材料還包括木支架、金屬支架以及鋼筋混凝土支架。

本文涉及選擇錨噴支護，其關鍵技術包括選擇錨桿支護的相關參數以及支護的設計。關于確定錨桿支護的相關參數核心思想為加大錨桿的長度以及其各桿之間的排布間距。錨桿材質選擇價格低廉、性能強度優異的20MnSi 螺紋鋼；選擇直徑較大的錨桿桿體；錨桿的長度以及錨桿的間距排布則需要相關的公式進行計算可得。支護的設計要求：當處于頂板位置的圍巖較為穩定時，可稍提高錨桿排布間距，但尾部外露小于等于50 mm，其桿與巷道夾角小于75°。；若不穩定時，間距排布可減小；錨桿眼的順序先于掘進眼；采用自然陶粒作為噴射混凝土漿料。

2.2 鉆眼爆破

鉆眼爆破的核心為鉆眼工具的選擇以及爆破技術的確定。鉆眼工具：氣褪式風鉆，鉆鑿炮眼方向為水平和傾斜；環形手持風鉆，鉆鑿炮眼方向為向下或傾斜垂直；向上式風鉆，鉆鑿炮眼方向為向上或略斜垂直。爆破技術確定即包括：優化爆破參數、炮眼排列方式、輪廓控制措施以及安全施工等問題。

對于直眼掏槽要求具有嚴格的施工工藝，本文通過對裂隙的巖體進行爆破機理研究得出以下結論：

1）爆生裂紋先偏移原方向一部分再向節理面進行延伸，這主要是由于初始爆炸裂紋、節理與炮孔的距離以及節理自身間的夾角有關；

2）布爆孔應盡量選擇規避弱面發育區，起爆方式采用反向。

2.3 綜合配套設備的選擇

根據巷道特點，包括圍巖以及支護，因地制宜采用液壓鉆車組合側卸裝巖機設備。該技術的優勢如下：

1）提高機械化程度，加快了鑿巖及裝巖的速度；

2）減低勞動程度，利用液壓鉆車來制造錨桿眼和炮眼；

3）改善施工環境，加大安全性，施工過程中噪音小、無廢氣以及低粉塵。

3 工程應用

通過第二部分介紹了掘進施工工藝的優化以及關鍵技術的介紹，本部分對某煤礦-850 m 水平巷道的掘進應用以及應用效果進行介紹。

該巷道為-850 m 水平東翼軌道，直墻半圓拱的斷面形狀。其中，巷道規格：4.8 m×3.4 m；掘進面積：16.334 m2；斷面5.1 m×3.75 m。錨噴作為巷道支護設計：初噴厚度為30 mm，對于圍巖的完整部分，錨桿之間的距離設計為1 000 mm；對于裂隙發育部分，錨桿之間的距離設計為800 mm。

噴漿材料選擇自然陶粒土，該新型材料提高了18%的噴層強度以及22%的噴漿工作效率，節省水泥含量30%～50%，降低材料成本12%～20%；降低粉塵濃度45%；降低游離的SiO2濃度55%。

在研究了爆破機理得出，分析優化得出炮眼的布置并取得了良好的爆破效果，其爆破效率為85%～90%。

采用液壓鉆車組合側卸裝巖機設備，其中液壓鉆車用于鑿巖的壓力高于風動鑿巖機，不僅加大了沖擊力，而且加快了沖擊頻率，該鉆進速度為0.8～2.0 m/min,其鑿孔速度以及打孔效率為風動鑿巖機的兩倍之上。且加上側卸裝巖機作為綜合配套設備技術，與采用炮掘、風動鑿巖機、耙斗裝巖機施工技術相比，施工效率提高到43.14%。

4 結語

目前，采煤技術與采煤方法日新月異，發展勢頭日漸快速，而掘巖速度卻相對較為緩慢。如何將采掘接續，是提高整個產煤效率的重中之重。高效的掘進速度取決于掘進施工工藝的優化，本文以某煤礦-850 m 水平巷道為應用對象主要介紹了支護、鉆眼爆破、綜合配套設備的選擇三個大方面來提升巖巷掘進施工工藝。支護形式選擇了錨噴支護，核心關鍵在于錨桿間的排布間距，對于圍巖的完整部分，錨桿之間的距離設計為1 000 mm；對于裂隙發育部分，錨桿之間的距離設計為800 mm，且采用自然陶粒土為噴漿材料。鉆眼爆破通過研究爆破工作機理，爆破效率提高為85%～90%；采用液壓鉆車組合側卸裝巖機設備，不僅加快了鉆進速度，而且確保施工環境安全，噪聲小，污染低，該項也為本文研究的亮點工作之一，施工效率較傳統提高43.14%。該項研究對其他煤礦生產也有著較好的指導意義與參考價值。