某煤矿井下硬质巷道高速掘进方案的应用
时间：2023-02-13 21:20:05 来源：千叶帆 本文已影响人
王超
（晋能控股集团寺河煤矿）
随着煤矿井下自动化综采作业设备的不断投入应用，综采作业效率获得了空前的提升，因此对巷道掘进提出了更高的要求。针对在井下硬质巷道掘进过程中存在的巷道掘进效率低下、安全性差等不足，迫切需要对现有的巷道掘进工艺进行优化，解决巷道掘进效率无法满足井下综采作业速度进一步提升的需求。
王国法等［1］提出了一种新的煤炭安全高效综采理论、技术与装备的创新方案，对钻装机的应用情况进行了分析。肖同强等［2］提出了井下巷道岩层全断面深孔爆破技术，实现了井下硬质围岩的一次打眼、爆破，为建立新的井下巷道高速掘进方案奠定了基础。在现有技术方案的基础上，结合寺河矿井下的实际情况，提出一种基于钻爆法的巷道高速掘进方案，通过采用仿真分析方案精确确定井下爆破参数，通过采用新型钻装机实现自动钻孔和装载，通过工序优化实现多工序平行交叉作业，以提升煤矿井下巷道掘进效率和安全性。
寺河矿东回风大巷呈一单斜构造，整体东南高、西北低，倾角在5°～9°，平均为7°。老顶为泥岩，厚度为2 m，岩心呈块状及短柱状，贝壳状断口，含植物化石，上部多呈浅灰色，下部多呈深灰色。直接顶为砂质泥岩，厚度为3.7 m，岩心呈短柱状或块状，沿层理面易裂开。底板为K6灰岩，夹薄层砂质泥岩，厚度为2.1 m。由于井下巷道岩层较硬，因此，极大地影响了井下巷道的掘进效率和稳定性。
水文地质条件较简单，涌水来源主要为3号煤层上覆砂岩、粉砂岩及K6 灰岩等裂隙水，在采掘过程中，该裂隙水通过锚杆、锚索孔、煤岩裂隙渗入巷道、工作面，预计掘进时单巷涌水量为1～3 m3/h。该区域承压水位为500 m左右，水压为1.35～1.7 MPa，其隔水层厚度为100 m 左右，突水系数为0.024～0.027 MPa，小于0.06 MPa，底板突水危险性较小。单巷掘进时的瓦斯实际涌出量最大为1.2 m3/min。工作面二氧化碳主要为人员呼吸产生，不影响正常作业。煤层煤尘无爆炸性，煤层自燃倾向性等级为Ⅲ级，为无自燃倾向性煤层。
由于井下巷道围岩的硬度较大，原有的掘进设备在施工过程中截齿磨损严重，平均截齿消耗量为7.7 个/m，而且当截割深度较大时也会显著增加掘进机的负载，导致设备运行故障率增加。结合煤矿井下巷道的实际情况，本文提出在巷道内设置CMJ2-35型钻装机，尺寸为9 020 mm×1 350 mm×2 455 mm，质量为13.5 t，形体狭小，能够通过2.5 m×2.5 m 的狭窄巷道，适应的最大截割断面为35 m2。钻车工作时的凿孔直径为38～102 mm，钻孔的最大深度为2 700 mm，最大钻孔速度为2 m/min。钻装机在工作时能够通过双臂同时进行湿式打眼，钻进速度快、粉尘低，操作灵活性高，能够在井下快速、灵活地移动，牵引力大，可以很方便地和输送机、转载机配合使用，解决井下巷道破岩、碎石转运的难题，将传统的人工作业模式升级为新的连续出矸机械化作业。该钻装机整体结构如图1所示。
岩层的可爆性是指岩层在炸药爆破时发生破坏的难易程度，主要和岩层的抗拉强度、完整性有关，对岩层可爆性的分析主要是为合理设计爆破方案，提高爆破效果。由于井下巷道的高度超过了直接顶砂质泥岩的厚度，需要爆破部分细粒砂岩，细粒砂岩处在破碎地带，爆破后会造成巷道顶板出现较大范围的垮落，增加支护的不稳定性，因此在对井下巷道地质条件分析后，确定爆破孔深度要大于细粒砂岩和砂质泥岩的厚度，实现深孔爆破。
在确定井下爆破孔深度后，爆破孔之间的距离直接决定着井下岩层的爆破效果和安全性，在传统方案中，对爆破孔间距的选择主要是依靠人工经验，但存在着危险性大、爆破效果无法控制的风险。为了提高爆破方案选择的科学性，提出了一种基于三维仿真的爆破效果分析方案［3］。
利用三维建模软件，建立岩层的三维模型，模型尺寸设置为4 500 mm×4 000 mm×1 200 mm，分别对炮孔距离为500，600，700 mm情况下的爆破效果进行仿真分析。为了提高分析的准确性，井下围岩材料模型选用了Holmquist 模型［4］，在爆破孔周围设置对称边界条件，按加密网格划分方案，对围岩模型进行网格划分，共有839 424个模型单元，937 283个节点，对实际爆破效果进行对比分析，从而科学、合理地确定最佳爆破孔距。不同孔距情况下的爆破仿真分析结果如图2所示。
根据对井下围岩的勘探情况，爆破区域内围岩的抗拉强度约为2.12 MPa。当爆破孔距为500 mm 的情况下，爆破时的最大应力约为2.63 MPa；
当爆破孔距为600 mm 的情况下，爆破时的最大应力约为2.93 MPa；
当爆破孔距为700 mm 的情况下，爆破时的最大应力约为4.93 MPa。3 种情况下爆破时的最大应力均超过了围岩的抗拉强度，表明3种爆破方案均能够有效地对围岩造成破坏。
爆破孔距为500 mm 和600 mm 情况下的裂隙分布较为均匀，而且岩石碎裂度较高，围岩内残留的应力值较低。当爆破孔为700 mm 情况下，裂隙分布范围小，而且不均匀性大、围岩残余应力值较高，不稳定性强，因此综合分析后确认井下爆破孔间距设置为600 mm。通过利用仿真分析的方式，能够快速、灵活地对不同情况下的爆破特性进行研究，从而为科学、合理地设置井下爆破参数、提高爆破可靠性奠定基础。
在确定井下爆破孔距后，结合煤矿井下的地质情况，对爆破方案进行研究。为了提高井下爆破孔设置效率和安全性，采用钻装机自动打孔，爆破孔的直径为42 mm，钻孔完成后在内部放置直径为35 mm的乳化炸药。由于井下围岩的硬度大，因此选择了准直眼掏槽方案，不仅能够满足钻装机钻臂自动调整和钻进的需求，而且掏槽结构简单，爆破率高，能够显著提升掏槽的精确性和可靠性。
根据井下实际验证，为了保证爆破效果和爆破安全性的统一，设置炮眼深度为2.2～2.4 m，爆破总炮眼数为68 个，爆破孔距为600 mm。根据井下爆破炸药消耗量修正公式［4］，计算出每个炮孔内的炸药放置量，68 个爆破孔的总用药量为70 kg。其中，掏槽眼（1～10）10 个，炮眼深2.4 m，每个炮眼装6 条药，需炸药12 kg；
辅助眼（11～41）31 个，炮眼深2.2 m，每个炮眼装5 条药，需炸药31 kg；
周边眼（42～68）27 个，炮眼深2.2 m，每个炮眼装5 条药，需炸药27 kg；
合计需炸药70 kg。井下炮眼布置方案如图3所示。
为了提高巷道在掘进过程中的稳定性，结合井下的地质条件，巷道支护采用锚杆支护、锚索补强的方案［5］，锚杆直径为22 mm，长度为2 400 mm，每排设置6 根，然后利用W 型钢带将这一排锚杆加强固定，锚杆间排距设置为900 mm×1 000 mm，固定时锚杆预紧力不得低于400 N·m，顶锚固力不小于190 kN。锚索采用托盘+锁具安装结构［6］，其直径为22 mm，长度为5.3 m，固定时的预紧力不低于400 N·m，锚索间排距为3.2 m×1.4 m。
为了进一步提升在矿压波动和掘进扰动情况下的巷道稳定性，在以上支护方案的基础上，间隔补打1 根锚索进行补强支护，所用锚索规格需大于常规支护所用的锚索［7］，其直径为22 mm，长度依旧为5.3 m，预紧力不小于400 N·m，使其和最初支护方案中的锚索形成双排锚索。用于补强支护的锚索采用一根锚索梁连接［8］，对称布置到巷道顶板两侧中线约700 mm的位置。
传统巷道掘进过程中，由于井下地质条件复杂、施工组织方式落后，为了确保安全性，多数工作的开展都是采用了串行式作业模式，导致各个工序间衔接性差、施工周期长，难以满足井下快速掘进的需求。因此本文提出一种新的多工序平行交叉作业模式［9］，建立完善的培训上岗制度，提高员工的安全意识和技能水平，然后对井下巷道掘进作业流程进行分析，对各个工序进行拆解，在保证施工安全的情况下实施多工序平行交叉作业。在施工过程中严格按照交接班—安全检查—敲帮问顶—定眼打孔—装药—起爆—检查—临时支护—永久支护—出矸的工艺流程进行循环作业。
在作业的过程中，依据井下巷道掘进经验和科学分工，可以进行工序平行交叉作业：交接班和安全检查；
在采用耙装机出矸时，其他人员可以同步备料、清理后侧的边角矸石、打护帮眼等；
打眼、出矸、支护等平行作业；
炮眼清扫、装药、接线、撤离设备等工序平行作业；
移动钻装机、接水电管路等平行作业。通过有序、科学组织，能够最大限度地提升巷道井下掘进作业的效率和安全性。
采用优化后的巷道快速掘进方案时，通过钻装机双臂同时打眼，能够在约70 min 内完成全断面钻眼，单片支护时间约为110 min，爆破后所形成的岩块均匀度好，通过多工序交叉支护作业，能够使日进尺3 m增加到5 m，将井下巷道掘进效率提升66.7%。由于采用了钻装机组爆破掘进方案，节约了人工打眼时间，而且采用锚杆、锚索联合支护模式，能够提高支护效率和稳定性，巷道的支护效率比优化前提升了27.4%。井下巷道支护现场如图4所示。
（1）CMJ2-35 型钻装机同时具有钻孔和物料自动装载功能，能够极大地提高井下钻孔的速度和掘进效率，显著降低巷道内人员的劳动强度，由于采用自动化作业、减少掘进面人员数量，能够有效地提升巷道掘进过程中的安全性。
（2）采用仿真分析的方案能够科学合理地确定井下爆破孔距，为优化井下爆破方案，提高爆破效果和安全性奠定基础。
（3）巷道支护采用了锚杆支护、锚索补强的方案，能够在保证支护可靠性的情况下提高巷道的支护效率。
（4）采用新的高速钻进方案，能够将井下巷道支护效率提升27.4%，将井下巷道掘进效率提升66.7%，对提高井下巷道掘进效率和可靠性具有十分重要的意义。
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