某礦硬巖巷道掘進(jìn)最優(yōu)炮孔深度選擇

柴 敏 趙 冉 王芝廣 王曉東 喬英俊 韓 丁

（1.山西亞美大寧能源有限公司；2.晉中市煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院；3.晉中長(zhǎng)泰安全科技有限公司）

山西某礦底抽巷掘進(jìn)工作面圍巖主要為砂質(zhì)泥巖，掘進(jìn)巷道為矩形斷面，整個(gè)巷道橫跨2個(gè)巖層（K6、K7）。巷道埋深為617.7 m，巷道寬為4.6 m，高為3 m，掘進(jìn)斷面積為13.8 m2。根據(jù)測(cè)得的抗壓強(qiáng)度:K7細(xì)砂巖為107.96 MPa、砂質(zhì)泥巖為9.68 MPa、K6石灰?guī)r為115.21 MPa，該巷道為硬巖巷道。由于所掘巷道圍巖硬度較高，在使用現(xiàn)有的綜掘機(jī)作業(yè)時(shí)，耗材量比較大，且經(jīng)常需要停機(jī)，大大縮減正常作業(yè)時(shí)間。除此之外，使用該掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)存在的問題還有其適應(yīng)能力差，面對(duì)井下各種復(fù)雜的地質(zhì)情況易受限［1-2］。因此，為形成適應(yīng)該礦高抽巷工作面地質(zhì)條件的快速掘進(jìn)體系，提出引進(jìn)鉆裝一體機(jī)組，解決綜掘機(jī)在硬巖巷道效率低的問題，采用工藝為鉆爆法，利用鉆裝一體機(jī)組的高效作業(yè)方法實(shí)施快速掘進(jìn)［3-5］。

1 模型建立及結(jié)果分析

1.1 模型建立

為直觀觀測(cè)到快速掘進(jìn)的效果，利用ANSYS LSDYNA軟件進(jìn)行爆破數(shù)值模擬，對(duì)最佳炮孔深度進(jìn)行選擇。模擬炮孔深度分別為1.2、1.8、2.4 m，其余參數(shù)一致，直徑為42 mm、間距為500 mm、裝藥為0.8 kg。模型形狀根據(jù)巷道斷面選用立方體，為觀測(cè)到爆破對(duì)頂板的影響，正面斷面尺寸為4.6 m×4 m，高度為1 m，深度取3 m。

1.2 炮孔深度爆破模擬分析

根據(jù)礦方的模擬實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)確定最佳炮孔間距為500 mm，以炮孔深度為唯一變量，通過對(duì)比表1中3個(gè)方案得出最優(yōu)選。

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1.2.1 模型裂隙發(fā)育

圖1 ~圖3所示的應(yīng)力云圖展現(xiàn)出巖石被爆破后的效果，比較3個(gè)模型在5 000 μs時(shí)的爆破效果圖，炮孔深度為1.2 m（方案一）時(shí)，巖石中產(chǎn)生的裂隙向自由面發(fā)展，且集中在斷面上部；炮孔深度為1.8 m（方案二）時(shí)，巖石中產(chǎn)生的裂隙向自由面發(fā)展，且分布較均勻；而炮孔深度2.4 m（方案三）時(shí)，產(chǎn)生的裂隙大多集中在巖石的內(nèi)部，只有少數(shù)延伸到自由面。得出2.4 m的炮孔深度時(shí)，受到巖石的約束力較大，形成的爆破效果不能達(dá)到預(yù)期，1.2 m的炮孔深度時(shí)，裂隙分布不均勻且集中在斷面上部，對(duì)頂板造成一定破壞，對(duì)比得出方案二比方案一、三的效果理想。

1.2.2 模型爆破量分析

由表2可以看出，爆破量隨時(shí)間而減小，3個(gè)方案累計(jì)爆破量分別為13.08、12.43、11.36 t，方案三的爆破量相對(duì)較小，方案一、二的爆破量都較大，且差別不大。

1.3 模擬結(jié)果分析

炮孔深度1.2 m（方案一）時(shí)，巖石中產(chǎn)生的裂隙向自由面發(fā)展，且集中在斷面上部，爆破量為13.08 t；炮孔深度為1.8 m（方案二）時(shí)，巖石中產(chǎn)生的裂隙大多向自由面發(fā)展，且分布較均勻，爆破量為12.43 t；炮孔深度為2.4 m（方案三）時(shí)，產(chǎn)生的裂隙大多集中在巖石的內(nèi)部，只有少數(shù)延伸到自由面，2.4 m的炮孔深度夾制作用嚴(yán)重，且爆破量較小。通過分析，方案一、二的爆破效果都較好。在裂隙發(fā)育方面，方案二效果更好，在爆破量方面，方案一效果更好，為進(jìn)一步選出最佳方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破工業(yè)試驗(yàn)。

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2 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

在試驗(yàn)巷道中，分別對(duì)方案一、方案二依次進(jìn)行試驗(yàn)，按照相同的循環(huán)作業(yè)方式進(jìn)行。方案一的爆破效果一般，巷道掘進(jìn)時(shí)，還爆破了部分K7細(xì)砂巖，造成巷道頂板不規(guī)整，在對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)的過程中，這種不規(guī)整影響了工作進(jìn)度和效率；因此，打眼和支護(hù)這2個(gè)工序消耗的時(shí)間最多，每個(gè)循環(huán)爆破崩落巖石的大塊數(shù)為4~5塊，增加了人工破巖的施工工序，日進(jìn)尺量為3.1 m。方案二的爆破效果較好，巷道掘進(jìn)時(shí)，只爆破了設(shè)計(jì)斷面尺寸內(nèi)巖石，巷道頂板規(guī)整；在對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)的過程中，提高了工作進(jìn)度和效率，日進(jìn)尺量為5.2 m，較方案一提高2.1 m。方案二與綜掘機(jī)方案相比，解決了綜掘機(jī)掘進(jìn)成本高，工作面環(huán)境差，在硬巖巷道的適應(yīng)能力差等問題，并且提高近2 m的單循環(huán)進(jìn)尺量。

對(duì)比爆破效果，從爆破效率、節(jié)約成本以及安全作業(yè)這3個(gè)方面考慮，方案二的爆破取得了較好的爆破效果。

3 結(jié)語

為解決山西某礦底抽巷掘進(jìn)效率低的問題，本研究提出以鉆爆法為主，采用鉆裝一體機(jī)組的高效作業(yè)方法實(shí)施掘進(jìn)，并通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，確定炮孔深度1.8 m時(shí)掘進(jìn)效果最佳。