煤矿井下巷道高速掘进方案的应用研究

2021-09-21杨和平

机械管理开发 2021年8期

杨和平

（霍州煤电集团河津五星煤业有限责任公司，山西河津 043300）

引言

随着以采煤机、液压支架、刮板输送机为代表的高自动化综采设备的不断投入使用，煤矿井下的综采作业效率得到了极大提升，但目前井下巷道的掘进作业主要依靠掘进机进行。当前由于煤矿地质条件复杂，对巷道掘进质量要求较高，导致井下巷道掘进效率约为3.1 m/d，不仅效率低而且掘进成本高，严重影响了井下综采作业的经济性。因此，提出了一种新的煤矿井下巷道高速掘进方案。

1 深孔爆破方案

由于煤矿井下巷道处的地质分布多由细砂岩、石灰岩或砂质泥岩构成，岩石硬度大但脆性好、延伸性强，在受膨胀力作用下极易出现脆性断裂，因此结合深孔爆破和浅孔爆破[1]的实际特性及爆破效果，最终采用了深孔爆破方案，该方案具有打孔速度快、爆破效果好和经济性好的优点。

在进行爆破方案的设计时，结合井下爆破钻孔的要求和操作便捷性，采用了钻装机组打眼的方案，采用直径为42 mm的钻头，以准直眼掏槽的方式进行钻进作业，钻孔的中心眼深度设置为2 000 mm，钻孔的周边眼和辅助爆破眼深度均设置为1 800 mm，各个爆破辅助眼之间的距离设置为450 mm。为了保证爆破效果，辅助爆破眼应该均匀地设置在爆破孔的周围，爆破孔之间的距离在500 mm 左右，以保证爆破时能够一次到位。在进行爆破孔装药选择时，根据钻孔的深度选择装药量为2 kg/m3，爆破孔内炸药药芯的直径选择为35 mm，满足填装便捷性需求，井下爆破孔的选择可按照5～6 个/m3设计。井下岩石的硬度越大，爆破孔的数量要求越多；岩石硬度越小，其爆破孔的数量要求越少[2]。

某矿井下巷道主要由细砂岩、石灰岩和砂质泥岩构成，细砂岩的厚度为4.7 m、石灰岩的厚度约为2.6 m、砂质泥岩的厚度为3.9 m，岩层的综合抗拉强度为5.36 MPa，属于典型的硬质岩层结构。巷道的宽度为4 600 mm、高度为3 000 mm，巷道的横截断面的面积约为13.8 m2，共设置爆破孔82 个，炮孔分布及截割参数如图1 所示。

图1 井下巷道炮孔布置结构示意图（单位：mm）

2 爆破孔间距确认

爆破孔间距的设置直接关系到煤矿井下爆破的效率和安全性，传统的爆破方案中对爆破控制间距的选择主要是依赖于爆破手的实际工作经验，随意性较大，缺乏理论判断依据，难以实现井下爆破的标准化和参数量化。经过多次验证，本文提出采用数字化爆破模拟分析软件[3]对爆破方案进行仿真分析的方法，首先建立井下岩壁的地质结构模型，然后通过地质测量将获取的地质特征参数输入数字化爆破模拟分析软件中，模拟岩层的物理属性。

以上述煤矿井下地质结构为模拟研究对象，建立起岩层结构模型，分别对爆破孔间距为400 mm、450 mm、500 mm、550 mm 情况下的爆破效果进行对比分析，结果如下页图2 所示。

图2 不同爆破孔间距情况下的爆破效果

由图2 可知，当爆破孔的间距为400 mm 时，岩层的爆破范围最广，但是在岩层的外侧出现了垮塌，而且岩层内侧会产生极大的集中应力，导致在巷道掘进过程中出现垮塌，给巷道掘进安全带来较大的隐患。当爆破孔的间距为450 mm 时，爆破孔外侧出现了轻微的垮落，岩层内部爆破范围相对较广但未出现集中应力，能够在掘进过程中表现出较高的稳定性。当巷道爆破孔的间距设置为500 mm 时，内部爆破范围明显缩小，而且在爆破后内部存在某一点的集中应力，不利于巷道掘进时的稳定性。当爆破孔的间距为550 mm 时，巷道爆破范围最小，直径约为2.6 m，未达到预期的爆破效果。通过在某矿井下的实际应用，实际的爆破效果和仿真分析结果一致，表明了该爆破仿真分析效果的准确性。其对于快速确定爆破参数，选择最优爆破方案具有十分重要的意义。

3 巷道掘进设备选型

传统井下巷道掘进过程中所采用掘进设备主要是掘进机，但掘进机的截割机构在掘进中截齿磨损严重，使用成本高，而且在截割作业中受岩壁硬度变化的影响，掘进机极易产生过大负荷而导致电机损坏，使得整体使用效率较低。结合新的炮掘工艺需求，本文提出采用CMZY2-120型钻装机方案[4]，该设备自动化程度高，只需要1 个作业人员就能够完成钻进、清理和装载作业，防护性能好，可有效防止在掘进过程中由于垮落而导致的人员伤亡事故。

CMZY2-120型钻装机设备采用了湿式作业方式，能够有效地抑制清理和装载过程中产生的粉尘，使得设备整体结构小、操作灵活性高、装载速度快、稳定性好，能够与输送机和转载机配套使用，联合作业稳定性好，能够有效地提升井下巷道掘进作业效率。

采用传统的掘进机单一掘进作业方案，掘进机截齿磨损速度快，每个作业周期内需要多次停机更换磨损的截齿，综合掘进速度仅能达到3.1 m/d，效率低，成本高，作业过程中还会产生大量的粉尘，影响井下掘进安全性，每个循环所用时间约为7 h。而当采用全新的煤矿井下巷道高速掘进方案后，爆破巷道表面平整，无须进行二次截割作业，综合掘进速度达到5.4 m/d，完成一个循环的时间约为5.1 h，巷道掘进质量和效率均得到了显著提升，整体的掘进成本比优化前降低了约14.2%。目前该方案已经在多个煤矿进行了应用，并取得了较好的应用效果。