硬质巷道井下高效掘进工艺的研究

2022-03-15黄亚寅

山东煤炭科技 2022年2期

黄亚寅

（霍州煤电集团薛虎沟煤业有限公司，山西运城 043302）

薛虎沟煤业在2 号-10 号煤层穿层施工暗斜井时，设计巷道宽度为4600 mm，高度为3000 mm，巷道掘进时的断面截面积为13.7 m2。经地质分析该巷道的围岩普氏系数为11.2，为典型的硬质岩层巷道结构。该巷道最初掘进时采用的为EBZ315 型掘进机，由于巷道围岩硬度高，导致实际工作时截齿磨损非常快，而且该掘进机的喷雾降尘系统工作效率低，无法实现有效降尘，严重影响了巷道掘进的效率，实际日进尺仅为3.1 m/d，无法满足井下高速综采的需求。

为了提升薛虎沟煤业井下巷道掘进效率，项目组提出了一种新的巷道井下高效掘进工艺，通过采用新型钻装机并合理设计井下围岩爆破方案来实现对井下巷道掘进效率的提升。根据实际应用表明，该巷道掘进工艺将支护效率提升24.4%，将巷道掘进速度提升了67.7%，极大地提升了井下巷道掘进效率和安全性，目前已经在薛虎沟煤业得到了广泛的应用。

1 掘进设备优化

针对现有掘进设备掘进效率低、除尘性能差、故障率高的不足，结合井下巷道的实际地质情况，并对多种掘进设备进行综合对比后，确定选择CMZY2-120 型巷道钻装机[1]。该设备将凿岩和装岩集成在一体，只需要一台设备即可完成钻眼和碎石装载的需求，不仅降低了劳动面同时工作人员的数量，而且有效地提升了作业效率和钻进时的安全性。

该设备采用了双臂同时打眼的方案，钻进过程中的粉尘量少，操作灵活性高。同时，该设备还可以和输送机、转载机配合使用，进一步提升了在井下巷道狭小空间内的实际使用需求，解决了传统掘进机掘进效率低、安全性差的难题。

2 井下岩层爆破可行性分析及爆破方案设计

岩层的结构性质，直接决定了爆破效果和安全性。为了优化测试方案，提高巷道爆破效果，对巷道周围岩石进行现场取样分析，测定其物理性质。结合地质勘探，井下巷道主要包括石灰岩层、砂质泥岩层和细砂岩层，在巷道掘进过程中巷道的高度是大于砂质泥岩层的，为了确保爆破效果，需要将爆破点深入到石灰石岩层或者细砂岩层内。石灰岩层的密度、劈裂抗拉强度、抗压强度、粘聚力、泊松比等均优于细砂岩层[2]，而且细砂岩层内的爆破会导致巷道顶板的凹凸不平，进一步增加支护难度，因此综合分析后选择将爆破层设置在石灰岩层内，为了满足掘进便捷性和爆破效果的需求，将中深孔爆破掏槽眼布置在石灰岩下沉的爆破掏槽内。

确定爆破点位置后，需要根据钻装机的实际工作特性并结合井下爆破的实际需求，设置井下爆破方案，项目组共设置了2 组爆破方案，具体如下：

（1）方案一：采用钻装机打眼，钻装机的钻头选择直径为42 mm 的钻头，爆破药选择直径为35 mm 的乳化炸药，掏槽时采用准直眼的方式，槽眼的深度为2000 mm，辅助眼和周边眼的深度设置为1800 mm，各个辅助眼之间的距离设置为420 mm。

（2）方案二：采用钻装机打眼，钻装机的钻头选择直径为42 mm 的钻头，爆破药选择直径为35 mm 的乳化炸药，掏槽时采用准直眼的方式，槽眼的深度为2000 mm，辅助眼和周边眼的深度设置为1800 mm，各个辅助眼之间的距离设置为480 mm。

两种方案的钻孔布置如图1。

图1 井下钻孔布置结构示意图（mm）

爆破参数分析，为满足爆破可靠性需求，理论计算的单位炸药放置量为2.5 kg，考虑到井下封孔长度和爆破安全的需求，最终确定的单位炸药安放量为2 kg/m³，炮眼的深度设置为1800 mm。

3 爆破方案的仿真研究

为了对两种爆破方案的实际爆破效果进行分析，本文利用3D 建模分析软件建立井下围岩的三维模型[3]，按照地质勘探获取的围岩参数进行岩层参数的设置，采用对称边界条件模式，则在不同的辅眼间距情况下爆破效果对比如图2。

图2 不同辅助眼间距情况下爆破效果对比

由实际仿真分析结果可知，当辅助眼间距为420 mm 的情况下，爆破时作用在岩石上的最大爆破应力为2.63 MPa，当辅助眼间距为80 mm 时，爆破时作用在岩石上的最大爆破应力为2.93 MPa，而岩石的最大抗拉应力约为2.86 MPa，因此当辅助眼间距为480 mm 时具有最佳的爆破效果。

4 爆破效果分析

根据实际分析结果，在井下巷道采用全新的巷道高速掘进方案，利用钻装机钻孔，利用分析确定的爆破方案进行爆破组织。同时，为了提高效率和安全性，对各个掘进工序进行了全面分析和梳理，确保各个施工工序的有序衔接和平行同步作业，对不同的岗位进行专业性划分，专业性强的岗位需要先培训再持证上岗，提升进行巷道掘进作业的效率和有序性[4]。

对井下巷道掘进进行跟进，由于采用了钻装机双臂同时钻孔，因此钻孔效率高。通过采用优化后的精确爆破方案，爆破后的巷道断面规制性好，使井下的支护效率比优化前提升了24.4%，巷道掘进效率由最初的3.1 m/d，提升到了目前的5.2 m/d，整体的掘进效率提升了67.7%，极大地提升了薛虎沟煤业的井下巷道掘进效率和安全性，目前已经在多个巷道进行推广。