黃亞寅

（霍州煤電集團(tuán)薛虎溝煤業(yè)有限公司，山西 運(yùn)城 043302）

薛虎溝煤業(yè)在2 號(hào)-10 號(hào)煤層穿層施工暗斜井時(shí)，設(shè)計(jì)巷道寬度為4600 mm，高度為3000 mm，巷道掘進(jìn)時(shí)的斷面截面積為13.7 m2。經(jīng)地質(zhì)分析該巷道的圍巖普氏系數(shù)為11.2，為典型的硬質(zhì)巖層巷道結(jié)構(gòu)。該巷道最初掘進(jìn)時(shí)采用的為EBZ315 型掘進(jìn)機(jī)，由于巷道圍巖硬度高，導(dǎo)致實(shí)際工作時(shí)截齒磨損非?？欤以摼蜻M(jìn)機(jī)的噴霧降塵系統(tǒng)工作效率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效降塵，嚴(yán)重影響了巷道掘進(jìn)的效率，實(shí)際日進(jìn)尺僅為3.1 m/d，無(wú)法滿足井下高速綜采的需求。

為了提升薛虎溝煤業(yè)井下巷道掘進(jìn)效率，項(xiàng)目組提出了一種新的巷道井下高效掘進(jìn)工藝，通過(guò)采用新型鉆裝機(jī)并合理設(shè)計(jì)井下圍巖爆破方案來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下巷道掘進(jìn)效率的提升。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，該巷道掘進(jìn)工藝將支護(hù)效率提升24.4%，將巷道掘進(jìn)速度提升了67.7%，極大地提升了井下巷道掘進(jìn)效率和安全性，目前已經(jīng)在薛虎溝煤業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

1 掘進(jìn)設(shè)備優(yōu)化

針對(duì)現(xiàn)有掘進(jìn)設(shè)備掘進(jìn)效率低、除塵性能差、故障率高的不足，結(jié)合井下巷道的實(shí)際地質(zhì)情況，并對(duì)多種掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行綜合對(duì)比后，確定選擇CMZY2-120 型巷道鉆裝機(jī)[1]。該設(shè)備將鑿巖和裝巖集成在一體，只需要一臺(tái)設(shè)備即可完成鉆眼和碎石裝載的需求，不僅降低了勞動(dòng)面同時(shí)工作人員的數(shù)量，而且有效地提升了作業(yè)效率和鉆進(jìn)時(shí)的安全性。

該設(shè)備采用了雙臂同時(shí)打眼的方案，鉆進(jìn)過(guò)程中的粉塵量少，操作靈活性高。同時(shí)，該設(shè)備還可以和輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)配合使用，進(jìn)一步提升了在井下巷道狹小空間內(nèi)的實(shí)際使用需求，解決了傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)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(shè)計(jì)

巖層的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，直接決定了爆破效果和安全性。為了優(yōu)化測(cè)試方案，提高巷道爆破效果，對(duì)巷道周?chē)鷰r石進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣分析，測(cè)定其物理性質(zhì)。結(jié)合地質(zhì)勘探，井下巷道主要包括石灰?guī)r層、砂質(zhì)泥巖層和細(xì)砂巖層，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中巷道的高度是大于砂質(zhì)泥巖層的，為了確保爆破效果，需要將爆破點(diǎn)深入到石灰石巖層或者細(xì)砂巖層內(nèi)。石灰?guī)r層的密度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、粘聚力、泊松比等均優(yōu)于細(xì)砂巖層[2]，而且細(xì)砂巖層內(nèi)的爆破會(huì)導(dǎo)致巷道頂板的凹凸不平，進(jìn)一步增加支護(hù)難度，因此綜合分析后選擇將爆破層設(shè)置在石灰?guī)r層內(nèi)，為了滿足掘進(jìn)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?guī)r下沉的爆破掏槽內(nèi)。

確定爆破點(diǎn)位置后，需要根據(jù)鉆裝機(jī)的實(shí)際工作特性并結(jié)合井下爆破的實(shí)際需求，設(shè)置井下爆破方案，項(xiàng)目組共設(shè)置了2 組爆破方案，具體如下：

（1）方案一：采用鉆裝機(jī)打眼，鉆裝機(jī)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(shí)采用準(zhǔn)直眼的方式，槽眼的深度為2000 mm，輔助眼和周邊眼的深度設(shè)置為1800 mm，各個(gè)輔助眼之間的距離設(shè)置為420 mm。

（2）方案二：采用鉆裝機(jī)打眼，鉆裝機(jī)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(shí)采用準(zhǔn)直眼的方式，槽眼的深度為2000 mm，輔助眼和周邊眼的深度設(shè)置為1800 mm，各個(gè)輔助眼之間的距離設(shè)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(jié)構(gòu)示意圖（mm）

爆破參數(shù)分析，為滿足爆破可靠性需求，理論計(jì)算的單位炸藥放置量為2.5 kg，考慮到井下封孔長(zhǎng)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(shè)置為1800 mm。

3 爆破方案的仿真研究

為了對(duì)兩種爆破方案的實(shí)際爆破效果進(jìn)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(zhì)勘探獲取的圍巖參數(shù)進(jìn)行巖層參數(shù)的設(shè)置，采用對(duì)稱邊界條件模式，則在不同的輔眼間距情況下爆破效果對(duì)比如圖2。

圖2 不同輔助眼間距情況下爆破效果對(duì)比

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

4 爆破效果分析

根據(jù)實(shí)際分析結(jié)果，在井下巷道采用全新的巷道高速掘進(jìn)方案，利用鉆裝機(jī)鉆孔，利用分析確定的爆破方案進(jìn)行爆破組織。同時(shí)，為了提高效率和安全性，對(duì)各個(gè)掘進(jìn)工序進(jìn)行了全面分析和梳理，確保各個(gè)施工工序的有序銜接和平行同步作業(yè)，對(duì)不同的崗位進(jìn)行專業(yè)性劃分，專業(yè)性強(qiáng)的崗位需要先培訓(xùn)再持證上崗，提升進(jìn)行巷道掘進(jìn)作業(yè)的效率和有序性[4]。

對(duì)井下巷道掘進(jìn)進(jìn)行跟進(jìn)，由于采用了鉆裝機(jī)雙臂同時(shí)鉆孔，因此鉆孔效率高。通過(guò)采用優(yōu)化后的精確爆破方案，爆破后的巷道斷面規(guī)制性好，使井下的支護(hù)效率比優(yōu)化前提升了24.4%，巷道掘進(jìn)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(jìn)效率提升了67.7%，極大地提升了薛虎溝煤業(yè)的井下巷道掘進(jìn)效率和安全性，目前已經(jīng)在多個(gè)巷道進(jìn)行推廣。

5 結(jié)論

為了解決薛虎溝煤業(yè)井下巷道掘進(jìn)速度慢、效率低、成本高的不足，項(xiàng)目組提出了一種新的井下高效掘進(jìn)工藝，采用高效鉆裝機(jī)進(jìn)行鉆孔，采用仿真分析的方法來(lái)確定最佳的爆破方案，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）CMZY2-120 型巷道鉆裝機(jī)采用了雙臂同時(shí)打眼的方案，鉆進(jìn)過(guò)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(shí)的效果，為確定最佳的爆破方案提供理論依據(jù)；

（3）采用新的爆破方案并結(jié)合井下工序優(yōu)化的方法，能夠?qū)⒕孪锏乐ёo(hù)效率提升24.4%，將巷道掘進(jìn)速度提升了67.7%，極大地提升了井下巷道掘進(jìn)效率和安全性。