硬圍巖巷道綜掘關鍵技術研究與實踐

◇安徽理工大學土木建筑學院 吳金玲 郝朋偉

根據淮北礦業集團某礦北四采區軌道下山超硬圍巖綜掘施工的實踐，找出了該條件下巷道掘進效率提高的技術關鍵，即選用高質量的截齒保證綜掘施工過程中的破巖效率。四采區軌道下山穿越的部分巖層的普世系數超過9，巷道綜掘施工中圍巖的破落效率極低，普通截齒的消耗量極大，不僅掘進成本高，掘進效率也無法提高。因此，在對普通截齒和高質量截齒進行對比測試，結合施工現場截齒的破壞狀態，找出了超硬圍巖巷道綜掘關鍵技術。根據分析結果，更換綜掘機截齒后，每1.6m范圍內圍巖的破落時間由7小時降低至3小時，截齒消耗量由50-60個降低至1-2個，大幅提高了超硬圍巖巷道綜掘的進尺及經濟效益。

1 制約北四采區軌道下山超硬巖綜掘效率的關鍵因素分析

淮北礦業集團某礦北四采區三條下山，包括皮帶下山、回風下山及軌道下山，在掘進過程中均需穿越4條主要斷層及伴生小斷層，巷道下山掘進過程中經常遭遇巖性變化的困擾，所揭露的砂巖段的普世系數普遍超過9，局部區域甚至達到11，屬于超硬巖石。以砂巖為主的硬巖掘進區段目前的月進尺只有90m左右，而且無論如何安排施工工序、提高平行作業效果，巷道進尺速度都無法有效提高。

其主要原因在于硬巖掘進期間的破巖效率極低、截齒消耗量過大。面對這樣的巖石，綜掘機的的破巖時間普遍超過4小時，局部區域的破巖時間甚至超過7小時，而且綜掘機截齒的消耗量達到了50-60個/兩排（1.6m）以上。

巖石的硬度過大是客觀存在且無法改變的事實，但是北四下山綜掘所用截齒的整體硬度偏低也是造成巷道進尺效率的不容忽視的重要因素[1-4]。因此，有必要對現用截齒及高質量的進口截齒進行系統測試分析，找出超硬圍巖巷道綜掘的技術瓶頸[5-6]。

2 截齒外形及內部結構對比分析

利用線切割工藝將現用的國產截齒和原廠標配進口截齒沿其軸線方向進行縱向剖切，而后對二者的外形及內部結構進行的直接的對比分析。線切割成型效果如圖1所示。

圖1 截齒剖切成型效果

兩個完整的截齒均被切割成了三部分：半個截齒、6mm厚的薄片、剩余的30%截齒。首先通過將兩種截齒的剖面直接對比在一張圖上，就可以很直觀地看到二者的區別。圖2中，紅色的痕跡為廠家標配進口截齒的剖面輪廓，黑色痕跡為施工現場正在使用的國產截齒的剖面輪廓。可以看到進口截齒整體根部渾圓、頂部堅挺，截割頭暴露充分，破巖效率能夠得到保障；而國產截齒的根部有一個突然變窄而后又再次加粗的外形設計，截割頭被有意的包裹起來，破巖效率無法得到保障[7-9]。

圖2 兩種截齒剖面對比

從結構上看，截齒由三部分組成：圖2中紅色區域圈定的部分為基體，基體外側為結構補強部分，基體所包圍的區域為截割頭，截割頭采用堆焊工藝與基體粘接。國產截齒顯然對自己的焊接效果不自信，所以在截割頭的周邊又焊接一圈保護層。

進口截齒截割頭與基體的焊接嚴絲合縫，幾乎沒有任何缺陷，而國產截齒截割頭的底部與基體之間存在著明顯的缺陷，如圖3所示。這個不該出現的缺陷使得國產截齒在截割過程中很容易從基體上脫落而造成整體失效。國產截齒截割頭周邊補充的焊接的保護層是亡羊補牢的行為，對于整個截齒的損壞根本無力回天。

圖3 國產截齒內部的缺陷

3 截齒不同部位洛氏硬度系統對比測試

對線切割成型兩個薄片對兩種截齒的硬度進行了詳細地對比測試。進口截齒剖面進行了125個點的洛氏硬度測試，國產截齒的剖面進行了129個點的洛氏硬度測試，多出來的4個點布置在了國產截齒的外緣保護層上，測試點布置編號如圖4所示。

圖4 硬度測試點編號

逐點完成兩個截齒剖面硬度測試后，將包含測點痕跡的薄片掃描成圖片，并將圖片在CAD軟件內打開，逐點記錄各測試印痕點的位置坐標及對應硬度。

記錄完成后利用matlab軟件，將印痕點位置坐標位置坐標信息反映到x軸及y軸上，將對應點的洛氏硬度反映到z軸上，形成綜合立體圖5及圖6，借以對比分析國產截齒和進口截齒的差異。

圖5 進口截齒剖面硬度測試

圖6 國產截齒剖面硬度測試

測試結果顯示，國產截齒截割頭、結構補強部分及基體硬度均與進口截齒相差無幾，就連基體與截割頭相連接部位的硬度都基本相同，編號為20、65、99、121、102、77、30的測點的硬度測試結果也能直接反映二者的區別不大。

國產截齒的質量問題主要是截割頭與基體之間的焊接牢固程度嚴重不足。

4 現場使用情況對比分析

2018年3月16日至22日，北四軌道下山采用廠家標配進口截齒完成了26m的硬巖（普氏系數9以上）下山掘進。19個原廠標配進口截齒也完全消耗完畢。現場統計數據顯示，采用進口截齒施工期間，綜掘機每完成1.6m區段的硬巖破落及出貨任務需要消耗截齒1～2個，破巖及出貨時間大約4～5小時。

國產截齒的對比數據如下：每完成1.6m區段硬巖的破落及出貨任務需要消耗截齒6～8桶（每桶8個），破巖及出貨時間超過7小時，另外綜掘機機座經常因截齒更換不及時而受到損傷。