岩巷高效快速掘进工艺及设备的优化

丁继国

（山西焦煤西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052）

引言

煤矿生产包括对岩巷的掘进和煤巷的开采，二者生产能力相互匹配才能保证煤矿高效、安全的生产。目前，煤巷开采设备的自动化水平和开采工艺的提升保证了开采效率和安全性。对于岩巷掘进而言，虽然其在机械设备和工艺方面较以往相比已经取得了极大的进步，但是掘进速度仍然无法与煤巷开采相匹配[1]。因此，在当前形势下如何实现岩巷的快速、安全掘进是提升煤矿生产能力和采掘综合水平的关键。本文将对岩巷高效快速掘进工艺进行优化。

1 工程概况

本工程为西铭矿325岩巷的掘进工程。325岩巷掘进完成后主要任务是对325煤巷中的作业人员、煤炭以及设备的运输提供通道。除此之外，325岩巷还为通风系统中的进风巷道。经探测可知，325岩巷中岩石的最小厚度为40 m，最大厚度为450 m，平均岩石厚度为245 m；岩层的最小倾角为34°，最大倾角为48°，平均倾角为41°；岩层平均硬度系数为11；整个325岩巷围岩类型属于茅口灰岩。

总的来讲，325岩层的整体结构相对简单，岩层中间不存在断层，且在当前掘进过程中尚未发现涌水现象。但是，当在掘进过程中遇到溶洞或者裂隙时，存在一定的量涌水，具体平均涌水量为12.5 m3/h。在前期的掘进施工中发现，由于325岩巷岩层的硬度系数较大，存在爆破困难大、钻眼效率低的问题[2]。目前，325岩巷采用最为常规的掘进方案，每个月工作面的推进长度仅为100 m左右。325岩巷的断面结构如图1所示，325岩巷的净宽度为4.8 m，净高度为3.6 m。

图1 325岩巷断面结构示意图（单位：mm）

2 岩巷原掘进工艺研究

325主要采用爆破方式进行掘进，其爆破方案的合理性和有效性将决定最终的掘进效率。本节将对325岩巷所采用的爆破方案和效果进行阐述。

2.1 325岩巷原爆破方案

325岩巷原爆破方案中对应的炮眼布置情况如图2所示。

图2 原爆破方案对应的炮眼布置图（单位：mm）

如图2所示，原爆破方案中掏槽眼共有8个，每个掏槽眼的深度为2.4 m，其间距为0.6 m，每个炮眼中的装药量为6 kg；辅助眼为图1中的9号—23号共有15个，每个炮眼的深度为2.2 m，间距为0.5 m，每个炮眼的装药量为4 kg；帮眼为图1中的24号—27号和39号—42号共有8个，每个炮眼的深度为2.2 m，间距为0.5 m，每个炮眼的装药量为4 kg；顶眼为图1中的28号—38号炮眼共有11个，每个炮眼的深度为2.2 m，间距为0.45 m，每个炮眼的装药量为4 kg；底眼为图1中的43号—55号共13个，每个炮眼的深度为2.2 m，间距为0.5 m，每个炮眼的装药量为4 kg。

上述掏槽眼、辅助眼、顶眼等炮眼的起爆顺序依次为：掏槽眼—辅助眼—顶眼—帮眼—底眼；而且，整个325岩巷所有炮眼的总的装药量为47.2 kg。

2.2 原爆破方案实施情况及效果分析

就从爆破效果来看，现场实际实施中发现如下问题：

1）由于325岩巷本身岩层的硬度系数较大，采用传统的气腿式凿岩机施工时，平均钻一个深度为2 m的炮眼所需时间为13 min；而该工程中除了掏槽眼的深度为2.4 m外，其余炮眼的深度均为2.2 m，按照每钻一个炮眼的时间为14 min，钻完该工程中所需的55个炮眼总共经历4.4 h。

2）炮眼中的装药量不足，对于硬度系数较大的岩层而言很难达到预期的爆破、掏槽效果；

3）目前，现场采用P-60B耙矸机对爆破后的矸石进行状态，其效率低，劳动强度大，无法与当前岩巷快速掘进的要求相匹配。

经现场调研可知，作业人员在实际施工过程中随意性较大，主要依据其经验对炮眼进行施工。从总体上分析可知，在当前爆破方案下每天正常可推进工作面的长度为3～5 m，每月可推进工作面的长度为100～120 m，与当前快速掘进的推进效率相差较大。因此，急需对325岩巷的爆破方案进行优化以实现对其快速掘进[3]。

3 岩巷掘进工艺的优化

经对掘进方案进行研究可知，影响其掘进效率的主要因素为炮眼的钻眼速度过慢。因此，通过提升钻孔的速度保证岩巷的掘进效率。为此，西铭矿专门引入CMJ系列的全液压掘进钻车，大大提升了岩巷炮眼的钻孔速度。除此之外，影响掘进效率的另一重要因素为爆破效果，而影响爆破效果的主要因素为掏槽孔的布置和起爆顺序的设计。因此，本节将重点对325岩巷掏槽方式进行优化。

结合引入全液压掘进钻车的参数，初步确定两套优化方案：

方案一：两个中心眼，对应炮眼深度为2.5 m，炮眼间距为0.4 m，每个炮眼的装药量为1.5 kg；6个主掏槽眼，对应炮眼的深度为2.4 m，炮眼间距为0.4 m，每个炮眼的装药量为1.8 kg；4个辅助掏槽眼，对应炮眼的深度为2.4 m，炮眼间距为0.4 m，每个炮眼的装药量为1.8 kg。起爆顺序为：中心眼（主掏槽眼）—辅助掏槽眼[4]。

方案二：两个中心眼，对应炮眼深度为2.1 m，炮眼间距为0.4 m，每个炮眼的装药量为1.5 kg；6个主掏槽眼，对应炮眼的深度为2.13 m，炮眼间距为0.4 m，每个炮眼的装药量为1.8 kg；4个辅助掏槽眼，对应炮眼的深度为2.03 m，炮眼间距为0.4 m，每个炮眼的装药量为1.8 kg。起爆顺序为：中心眼（主掏槽眼）—辅助掏槽眼。

为具体确定上述两种优化方案的爆破效果，本节结合325岩巷的实际情况建立数值模拟模型，模型宽度为2.75 m，高度为1.6 m，对两种爆破方案下炮眼孔壁的有效应力进行仿真分析，仿真结果如表1所示。

表1 不同爆破方案下的数值模拟结果

分析表1可知，方案二中的峰值应力值21 GPa大于方案一的17 GPa；方案二中最大有效应力值的522 MPa大于方案一的491 MPa。即，基于爆破方案二掏槽方案对应岩层的主要应力参数均大于方案一，说明方案二的掏槽方案优于方案一。因此，掘进工艺为本节提出的方案二，具体炮眼的掏槽角度为70°，掏槽深度为2 m。

4 结论

1）采用全液压钻机替代气腿式凿岩机可大大提升炮眼的钻孔效率和成型质量；

2）对炮眼的掏槽角度、深度等参数进行优化，保证其主要应力参数为最佳，并最终确定适应于325岩巷的最佳掏槽角度为70°，掏槽深度为2 m。