硬質巷道井下高效掘進工藝的研究

黃亞寅

（霍州煤電集團薛虎溝煤業有限公司，山西 運城 043302）

薛虎溝煤業在2 號-10 號煤層穿層施工暗斜井時，設計巷道寬度為4600 mm，高度為3000 mm，巷道掘進時的斷面截面積為13.7 m2。經地質分析該巷道的圍巖普氏系數為11.2，為典型的硬質巖層巷道結構。該巷道最初掘進時采用的為EBZ315 型掘進機，由于巷道圍巖硬度高，導致實際工作時截齒磨損非常快，而且該掘進機的噴霧降塵系統工作效率低，無法實現有效降塵，嚴重影響了巷道掘進的效率，實際日進尺僅為3.1 m/d，無法滿足井下高速綜采的需求。

為了提升薛虎溝煤業井下巷道掘進效率，項目組提出了一種新的巷道井下高效掘進工藝，通過采用新型鉆裝機并合理設計井下圍巖爆破方案來實現對井下巷道掘進效率的提升。根據實際應用表明，該巷道掘進工藝將支護效率提升24.4%，將巷道掘進速度提升了67.7%，極大地提升了井下巷道掘進效率和安全性，目前已經在薛虎溝煤業得到了廣泛的應用。

1 掘進設備優化

針對現有掘進設備掘進效率低、除塵性能差、故障率高的不足，結合井下巷道的實際地質情況，并對多種掘進設備進行綜合對比后，確定選擇CMZY2-120 型巷道鉆裝機[1]。該設備將鑿巖和裝巖集成在一體，只需要一臺設備即可完成鉆眼和碎石裝載的需求，不僅降低了勞動面同時工作人員的數量，而且有效地提升了作業效率和鉆進時的安全性。

該設備采用了雙臂同時打眼的方案，鉆進過程中的粉塵量少，操作靈活性高。同時，該設備還可以和輸送機、轉載機配合使用，進一步提升了在井下巷道狹小空間內的實際使用需求，解決了傳統掘進機掘進效率低、安全性差的難題。

2 井下巖層爆破可行性分析及爆破方案設計

巖層的結構性質，直接決定了爆破效果和安全性。為了優化測試方案，提高巷道爆破效果，對巷道周圍巖石進行現場取樣分析，測定其物理性質。結合地質勘探，井下巷道主要包括石灰巖層、砂質泥巖層和細砂巖層，在巷道掘進過程中巷道的高度是大于砂質泥巖層的，為了確保爆破效果，需要將爆破點深入到石灰石巖層或者細砂巖層內。石灰巖層的密度、劈裂抗拉強度、抗壓強度、粘聚力、泊松比等均優于細砂巖層[2]，而且細砂巖層內的爆破會導致巷道頂板的凹凸不平，進一步增加支護難度，因此綜合分析后選擇將爆破層設置在石灰巖層內，為了滿足掘進便捷性和爆破效果的需求，將中深孔爆破掏槽眼布置在石灰巖下沉的爆破掏槽內。

確定爆破點位置后，需要根據鉆裝機的實際工作特性并結合井下爆破的實際需求，設置井下爆破方案，項目組共設置了2 組爆破方案，具體如下：

（1）方案一：采用鉆裝機打眼，鉆裝機的鉆頭選擇直徑為42 mm 的鉆頭，爆破藥選擇直徑為35 mm 的乳化炸藥，掏槽時采用準直眼的方式，槽眼的深度為2000 mm，輔助眼和周邊眼的深度設置為1800 mm，各個輔助眼之間的距離設置為420 mm。

（2）方案二：采用鉆裝機打眼，鉆裝機的鉆頭選擇直徑為42 mm 的鉆頭，爆破藥選擇直徑為35 mm 的乳化炸藥，掏槽時采用準直眼的方式，槽眼的深度為2000 mm，輔助眼和周邊眼的深度設置為1800 mm，各個輔助眼之間的距離設置為480 mm。

兩種方案的鉆孔布置如圖1。

圖1 井下鉆孔布置結構示意圖（mm）

爆破參數分析，為滿足爆破可靠性需求，理論計算的單位炸藥放置量為2.5 kg，考慮到井下封孔長度和爆破安全的需求，最終確定的單位炸藥安放量為2 kg/m3，炮眼的深度設置為1800 mm。

3 爆破方案的仿真研究

為了對兩種爆破方案的實際爆破效果進行分析，本文利用3D 建模分析軟件建立井下圍巖的三維模型[3]，按照地質勘探獲取的圍巖參數進行巖層參數的設置，采用對稱邊界條件模式，則在不同的輔眼間距情況下爆破效果對比如圖2。

圖2 不同輔助眼間距情況下爆破效果對比

由實際仿真分析結果可知，當輔助眼間距為420 mm 的情況下，爆破時作用在巖石上的最大爆破應力為2.63 MPa，當輔助眼間距為80 mm 時，爆破時作用在巖石上的最大爆破應力為2.93 MPa，而巖石的最大抗拉應力約為2.86 MPa，因此當輔助眼間距為480 mm 時具有最佳的爆破效果。

4 爆破效果分析

根據實際分析結果，在井下巷道采用全新的巷道高速掘進方案，利用鉆裝機鉆孔，利用分析確定的爆破方案進行爆破組織。同時，為了提高效率和安全性，對各個掘進工序進行了全面分析和梳理，確保各個施工工序的有序銜接和平行同步作業，對不同的崗位進行專業性劃分，專業性強的崗位需要先培訓再持證上崗，提升進行巷道掘進作業的效率和有序性[4]。

對井下巷道掘進進行跟進，由于采用了鉆裝機雙臂同時鉆孔，因此鉆孔效率高。通過采用優化后的精確爆破方案，爆破后的巷道斷面規制性好，使井下的支護效率比優化前提升了24.4%，巷道掘進效率由最初的3.1 m/d，提升到了目前的5.2 m/d，整體的掘進效率提升了67.7%，極大地提升了薛虎溝煤業的井下巷道掘進效率和安全性，目前已經在多個巷道進行推廣。

5 結論

為了解決薛虎溝煤業井下巷道掘進速度慢、效率低、成本高的不足，項目組提出了一種新的井下高效掘進工藝，采用高效鉆裝機進行鉆孔，采用仿真分析的方法來確定最佳的爆破方案，根據實際應用表明：

（1）CMZY2-120 型巷道鉆裝機采用了雙臂同時打眼的方案，鉆進過程中的粉塵量少，操作靈活性高；

（2）采用仿真分析的方法能夠有效地模擬井下爆破時的效果，為確定最佳的爆破方案提供理論依據；

（3）采用新的爆破方案并結合井下工序優化的方法，能夠將井下巷道支護效率提升24.4%，將巷道掘進速度提升了67.7%，極大地提升了井下巷道掘進效率和安全性。