張召冉，張之慧，岳中文，郭盛華，閻小亮，馬文平，劉國慶

(1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144;2.陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 一礦,陽泉 045000;3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;4.北方爆破科技有限公司,北京 100089)

“采掘失衡”矛盾一直是中國煤炭企業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問題[1]，其中，巖石巷道的掘進(jìn)速度是制約巷道掘進(jìn)整體水平的關(guān)鍵。陽泉礦區(qū)是中國重要的煤炭基地之一，現(xiàn)有煤礦40余座，保有儲(chǔ)量200億t。陽煤集團(tuán)所屬生產(chǎn)礦井均為高瓦斯礦井或煤與瓦斯突出礦井，瓦斯災(zāi)害十分嚴(yán)重[2]。為開采煤炭資源，需要掘進(jìn)開拓準(zhǔn)備巷、高抽巷、低位抽放巷、底抽巷等巷道，年掘進(jìn)巷道工作量超過100 km，其中小斷面巷道(10 m2以內(nèi))占比40%以上。與巨大的巖巷掘進(jìn)量相比，陽泉礦區(qū)鉆爆法(平均)掘進(jìn)速度維持為70～80 m/月，其中小斷面巷道平均月進(jìn)尺為112 m/月，最高月進(jìn)尺為165 m/月。

針對(duì)巖巷掘進(jìn)速度的問題，學(xué)者們開展了大量的研究，取得了豐碩的研究成果。楊仁樹等[3]提出了掏槽孔超深掏槽爆破技術(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，效果良好。張淵通等[4]通過分形技術(shù)分析了二階二段掏槽技術(shù)后的矸石塊度分布，應(yīng)用該技術(shù)后矸石塊度降低50 mm以上。Yi等[5]探討了炮孔間微差起爆時(shí)應(yīng)力波之間的相互影響。戴俊等[6]利用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬雙炮孔爆破裂紋擴(kuò)展過程，得到了孔間裂縫的合理間距為400～700 mm。張召冉等[7]基于“時(shí)、空”兩個(gè)維度，提出了“多階段”掏槽技術(shù)，分析了二階二段掏槽破巖機(jī)理，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得良好效果。Long等[8]提出了針對(duì)硬巖的“鉆孔+液壓沖擊”破巖技術(shù)。彭文[9]提出了“鉆孔+振動(dòng)+截割”的新型硬巖快速掘進(jìn)工藝。

近年來，以高質(zhì)量、低故障率的鑿巖臺(tái)車為主要設(shè)備的巖巷快掘工藝在中國部分煤礦應(yīng)用。如恒源煤礦-960 m水平東翼軌道大巷采用“液壓掘進(jìn)鉆車+挖掘裝載機(jī)+梭車”機(jī)械化作業(yè)線，月進(jìn)尺提高30%以上[10]。某礦采用“側(cè)卸式鏟裝車+液壓鉆車+梭式礦車”等機(jī)械化設(shè)備,輔以掏槽技術(shù)和支護(hù)工藝優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)月進(jìn)尺120 m/月[11]。

從目前中國巖巷掘進(jìn)現(xiàn)狀來看，中大斷面巷道是研究的重點(diǎn)，而小斷面巖巷關(guān)注度不夠；研究的重點(diǎn)側(cè)重于爆破技術(shù)，而從巖巷掘進(jìn)的全工序視角的研究成果相對(duì)較少。尤其是對(duì)高瓦斯礦井來講，提高小斷面治理瓦斯巷道掘進(jìn)速度事關(guān)煤礦生產(chǎn)及安全，所以，從全工序視角研究小斷面巖巷的快速掘進(jìn)技術(shù)與工藝非常必要。

1 工程背景

陽煤一礦S 8208走向高抽巷作為S 8208工作面回采時(shí)的瓦斯抽放專用巷道。該巷是以K 4石灰?guī)r為頂板下部砂巖(含炭質(zhì)泥巖厚度約為500 mm)掘進(jìn)的全巖巷道，巷道所處層位如圖1所示。巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為736.8 m，矩形斷面，掘進(jìn)斷面9.2 m2，巷道具體斷面參數(shù)如表1所示。

圖1 S 8208高抽巷所處層位Fig.1 Location of S 8208 high-drainage roadway

表1 S 8028走向高抽巷斷面參數(shù)Table 1 Cross-section parameters of S 8208 high-drainage roadway

1.1 原爆破施工方案

1.1.1 爆破參數(shù)

掏槽技術(shù)采用單楔形掏槽技術(shù)，三對(duì)掏槽眼孔深1.6 m，單孔裝藥量0.4 kg，一個(gè)中心眼0.9 m，單孔裝藥量0.2 kg，其余孔深均為1.5 m。槽間距1.4 m，掏槽眼水平角度72°，總炮眼個(gè)數(shù)46，總裝藥量15 kg，炮眼布置如圖2所示。掏槽孔和中心孔采用一段毫秒延期電雷管，輔助眼均采用2段毫秒延期電雷管，周邊眼和底眼均采用3段毫秒延期電雷管，炸藥為三級(jí)煤礦許用乳化炸藥，炸藥規(guī)格為32 mm×200 mm×200 g。

圖2 原爆破方案炮孔布置圖Fig.2 Blasthole layout of the original blasting plan

1.1.2 主要設(shè)備及施工工藝

(1)設(shè)備配備及作業(yè)線。鉆孔裝備采用YT-29 A型風(fēng)鉆濕式鉆眼，排矸采用挖掘式裝載機(jī)+皮帶出矸的施工方法，挖掘式裝載機(jī)采用型號(hào)為ZWY-80/45 L，裝載機(jī)皮帶一部(長(zhǎng)12 m)，SS 800型運(yùn)輸機(jī)皮帶一部。支護(hù)設(shè)備采用單體式錨桿鉆機(jī)，型號(hào)為MQT 130。作業(yè)線配置如圖3所示。

圖3 施工作業(yè)線配備Fig.3 Allocation of construction line

(2)工藝流程及施工組織。交接班后兩臺(tái)鑿巖機(jī)同時(shí)按照炮眼位置鉆孔，挖掘式裝載機(jī)平行進(jìn)行排矸作業(yè)(設(shè)置警戒線)，鉆孔及排矸完畢后，清孔裝藥起爆，爆破后先支護(hù)1排(無錨索時(shí)錨桿為5根，有錨索時(shí)錨桿為3根，錨索2根；幫錨桿4根)，支護(hù)作業(yè)時(shí)，挖掘機(jī)進(jìn)行平行作業(yè)，頂錨桿支護(hù)完畢后，幫錨桿支護(hù)作業(yè)，完成一個(gè)作業(yè)循環(huán)。由于采用“雙十二制”作業(yè)，正常狀態(tài)單班完成2～3循環(huán)，單日可完成循環(huán)作業(yè)4～5次。

1.1.3 爆破效果及進(jìn)尺情況

該爆破方案施行后，單循環(huán)進(jìn)尺1.4 m，炮眼利用率為87.5%。但是仍存在以下問題。

(1)爆堆及已完工程保護(hù)問題。爆后有可見大矸，需人工破碎；爆堆分散，導(dǎo)致爆堆高度不夠，蹬矸支護(hù)困難；錨索尾部彎曲變形，鐵絲網(wǎng)卷曲損壞(圖4)，質(zhì)量驗(yàn)收經(jīng)常不達(dá)標(biāo)，需要整改，占用施工人員。

圖4 錨索和鋼絲網(wǎng)損壞Fig.4 Damage of anchor cable and wire mesh

(2)拋擲距離遠(yuǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)拋矸距離約18 m，由于挖掘式裝載機(jī)最多退至距離迎頭15 m，導(dǎo)致設(shè)備操作臺(tái)、輸油管路等經(jīng)常受損，耽誤生產(chǎn)，致使班組完不成2個(gè)循環(huán)；部分矸石堆積到皮帶機(jī)后方，每班需要專門配備1～2人進(jìn)行清理(圖5)，施工組織人員配備緊張。

圖5 原爆破方案爆破后矸石分布情況Fig.5 Distribution of gangue after blasting in the original blasting scheme

(3)巷道周邊(頂板)成型差。由于本巷的直接頂為厚度1.23 m的砂紙泥巖，巷道嚴(yán)格按照該層位掘進(jìn)，爆破時(shí)需要在保護(hù)直接頂不受損傷，而實(shí)際爆破效果看，對(duì)直接頂破壞較嚴(yán)重。

(4)月進(jìn)尺水平低。由于以上環(huán)節(jié)導(dǎo)致日進(jìn)尺平均約5 m，自開工以來，25 d進(jìn)尺120 m，月進(jìn)尺低于預(yù)期180 m/月的水平。

(5)支護(hù)作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)。支護(hù)工作量較大，正常情況選每班支護(hù)16根錨桿加2根錨索，由于錨索錨固在灰?guī)r中，鉆孔速度慢，一根錨索從鉆孔到完工至少需要20 min。支護(hù)時(shí)間消耗約為80 min。

1.1.4 原爆破施工方案問題及分析

針對(duì)原爆破方案施行后，根據(jù)爆破效果和進(jìn)尺情況推算，月進(jìn)尺水平低于預(yù)期180 m/月的水平。為實(shí)現(xiàn)該巷道的快速掘進(jìn)，需要詳細(xì)分析產(chǎn)生問題的原因及提出針對(duì)性的方案。為此，通過現(xiàn)場(chǎng)跟班寫實(shí)記錄、施工工人、技術(shù)人員訪談等形式得到現(xiàn)場(chǎng)存在制約生產(chǎn)的關(guān)鍵問題，在此基礎(chǔ)上，聘請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程技術(shù)人員和專家進(jìn)行咨詢，得到原爆破方案存在的原因及解決思路。具體如表2所示。

表2 原因分析及對(duì)策Table 2 Cause analysis and countermeasures

2 爆破方案優(yōu)化

2.1 二階二段掏槽技術(shù)及其原理

二階二段掏槽技術(shù)是“多階段”掏槽技術(shù)的基本形式[7,12]，可以針對(duì)不同巷道、不同巖性進(jìn)行應(yīng)用。其核心思想為通過合理布置掏槽孔及炸藥在掏槽區(qū)內(nèi)的位置(圖6[12])，充分利用爆破時(shí)差(時(shí)間域)，采用一階掏槽和中心孔先爆破，創(chuàng)造新的臺(tái)階狀自由面(空間域)及對(duì)掏槽底部的預(yù)裂，二階掏槽充分利用一階掏槽提供的自由面及中心孔爆破的預(yù)裂效果，提升對(duì)掏槽孔底部巖石的破碎。具有合理分布炸藥能量，第一次爆破裝藥量少，拋擲矸石少，且形成新自由面，并對(duì)掏槽底部巖石進(jìn)行預(yù)裂，第二次爆破裝藥量少，炮孔傾斜角度小，拋擲距離短，掏槽效率高。

圖6 二階二段掏槽炮孔布置[12]Fig.6 Arrangement of two-step cut blastholes[12]

2.2 基于二階二段掏槽技術(shù)的爆破方案優(yōu)化

根據(jù)爆破方案具體實(shí)施情況，充分利用雙十二制作業(yè)中時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)兩種爆破方案2.0 m方案和1.8 m方案，預(yù)計(jì)爆破進(jìn)尺為1.8 m和1.65 m。

2.2.1 裝藥量及炮眼數(shù)目計(jì)算

2.2.2 優(yōu)化后爆破方案

根據(jù)二階二段爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，確定3對(duì)二階掏槽眼，2對(duì)一階掏槽孔，采用1～4段毫秒延期電雷管，串聯(lián)一次起爆。為保護(hù)頂板，頂部炮眼布置巷道輪廓線下400 mm。裝藥量如表3、表4所示。

表3 爆破參數(shù)(2.0 m方案)Table 3 Blasting parameters (2.0 m scheme)

表4 爆破參數(shù)(1.8 m方案)Table 4 Blasting parameters(1.8 m scheme)

2.2.3 爆破效果

優(yōu)化后的爆破方案，爆破效果較以前有較大改善，其中單循環(huán)進(jìn)尺分別達(dá)到1.8 m和1.65 m，炮眼利用率達(dá)到90%以上，拋擲距離控制在15 m左右，爆堆集中，大塊率明顯減小，呈現(xiàn)“山”字形。

3 支護(hù)方案優(yōu)化

3.1 原支護(hù)方案及效果

該巷道原支護(hù)方案中，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，頂板和兩幫錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 000 mm，間排距為850 mm×900 mm，錨索為φ17.8 mm×5 200 mm，間排距為1 700 mm×1 800 mm，由于巷道頂部圍巖分別為1.23 m砂質(zhì)泥巖和3.75 mK4灰?guī)r，頂板情況良好，通過觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖收斂控制在約15 mm，巷道變形較小，說明原支護(hù)方案強(qiáng)度較高，如圖7所示。為減少支護(hù)工作量，節(jié)省支護(hù)作業(yè)時(shí)間，可以進(jìn)行支護(hù)方案優(yōu)化。

圖7 原支護(hù)方案Fig.7 Original support

3.2 支護(hù)方案優(yōu)化及效果

3.2.1 優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)

針對(duì)原爆破方案巷道圍巖變形較小的實(shí)際情況，進(jìn)行支護(hù)方案優(yōu)化，支護(hù)材料保持不變，錨桿間排距優(yōu)化為850 mm×950 mm，錨索間排距優(yōu)化為1 700 mm×1 900 mm。

3.2.2 支護(hù)數(shù)值模擬分析

支護(hù)采用經(jīng)典數(shù)值模擬軟件FLAC 3D，建立地質(zhì)模型，S 8208高抽巷平均埋深495 m，煤層和巖層近水平，模擬時(shí)可忽略傾角影響。一般而言，開巷后其影響半徑一般為巷道半徑的3～5倍，模型最終尺寸為44 m×1 m×50 m，采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

通過FLAC3D得出巷道圍巖塑性區(qū)分布特征，如圖8所示。頂板最大破壞深度為0.5 m，巷幫最大破壞深度為1 m，巷道底板塑性破壞范圍為1.5 m，錨桿長(zhǎng)度2.0 m能夠使得錨桿具有穩(wěn)定的著力點(diǎn)，達(dá)到良好支護(hù)效果。S 8208高抽巷無較多運(yùn)輸任務(wù)，底板不采用支護(hù)措施仍可保證巷道功能。

圖8 S 8208高抽巷塑性區(qū)分布特征Fig.8 Distribution characteristics of plastic zone of S 8208 high-drainage roadway

巷道圍巖位移云圖如圖9所示，巷道開挖后，頂?shù)装遄畲蟠怪睉?yīng)力位于巷道中線處。如圖10所示，無支護(hù)條件下，頂板最大下沉量為14.6 mm，底板最大鼓起量為34.9 mm，巷幫最大收斂量26.6 mm，隨著距巷道距離的加大，圍巖變形量越來越小，變形量在允許范圍內(nèi)，因此，在此情況下施加支護(hù)措施后可保證巷道的正常使用。

圖9 位移云圖Fig.9 Displacement nephogram

圖10 巷道收斂曲線Fig.10 Convergence curve of roadway

S 8208高抽巷優(yōu)化后支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)如圖11所示，錨桿、錨索通過托錨力和黏錨力對(duì)圍巖施加主動(dòng)作用力，在圍巖內(nèi)部形成一定范圍的加固區(qū)域。通過錨桿和錨索形成的支護(hù)群效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)疊加，形成承載拱結(jié)構(gòu)，可保證S 8208高抽巷處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)Fig.11 Support stress field

3.2.3 支護(hù)優(yōu)化后效果

(1)技術(shù)效果。從圖12可以看出，巷道掘進(jìn)初期，頂板下沉量基本維持在10 mm，而優(yōu)化后頂板下沉量控制在12 mm左右，可以看出，支護(hù)強(qiáng)度能夠保證巷道的安全。

圖12 頂板下沉量Fig.12 The amount of roof subsidence

(2)經(jīng)濟(jì)效果及作業(yè)時(shí)間。優(yōu)化前已掘進(jìn)160 m，剩余巷道576.8 m，若按原方案需支護(hù)640排，錨桿消耗5 120根，錨索消耗640根。按照新支護(hù)方案，支護(hù)607排，錨桿消耗5 160根，錨索消耗303根。支護(hù)優(yōu)化后，錨桿增加40根，錨桿支護(hù)量增加約8%；錨索減少337根，錨索支護(hù)量減少53%。按成本計(jì)算，一套錨桿(錨桿、托盤、錨固劑等)30元/套，則增加1 200元；一套錨索(錨索、托盤、錨固劑等)50元/套，則減少16 850元。按時(shí)間計(jì)算，安裝錨桿5 min/根，支護(hù)一根錨索按20 min計(jì)算，則減少支護(hù)時(shí)間109 h。

4 施工組織

施工組織采用“雙十二制”，在試驗(yàn)階段不斷進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過試驗(yàn)反復(fù)試驗(yàn)確定班組完成兩個(gè)2.0 m方案和一個(gè)1.8 m方案，加強(qiáng)平行作業(yè)，正規(guī)循環(huán)能夠保證，其中2 018年10月正規(guī)循環(huán)率100%。循環(huán)作業(yè)圖如圖13所示。單班循環(huán)24個(gè)作業(yè)，其中10組作業(yè)(兩作業(yè)平行為一組)實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)，平行作業(yè)率41.7%。單班實(shí)現(xiàn)累計(jì)作業(yè)時(shí)間890 min，相較標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間720 min增加170 min，為單班實(shí)現(xiàn)三循環(huán)爭(zhēng)取了時(shí)間。

圖13 循環(huán)作業(yè)圖Fig.13 Cycle operation graph

5 整體施工效果

針對(duì)原施工方案存在的問題，通過掏槽技術(shù)、支護(hù)技術(shù)等優(yōu)化，取得了良好的施工效果，最高月進(jìn)尺達(dá)到251 m/月，平均進(jìn)尺210 m/月，提高40%以上。具體指標(biāo)如表5所示。

表5 施工效果指標(biāo)對(duì)比Table 5 Comparison of blasting effects

6 結(jié)論

以陽煤一礦S 8208高抽巷為背景，進(jìn)行了小斷面巖巷快速掘進(jìn)研究，得出如下結(jié)論。

(1)對(duì)矸石拋擲距離有嚴(yán)格要求的巖巷爆破中，合理選擇掏槽技術(shù)是關(guān)鍵，實(shí)踐證明，二階二段掏槽技術(shù)能夠控制矸石拋擲距離，矸石拋擲距離能控制在15 m以內(nèi)，還在炮眼利用率、節(jié)省人工、保護(hù)施工設(shè)備等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(2)在巖巷掘進(jìn)中，對(duì)于頂板條件較好的巷道，在保證巷道安全的前提下，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠起到節(jié)省支護(hù)時(shí)間，保證正規(guī)循環(huán)的作用，還可以節(jié)省成本。

(3)對(duì)于巖巷快速掘進(jìn)，針對(duì)出現(xiàn)的問題，在分析問題原因的基礎(chǔ)上，選取針對(duì)性的爆破技術(shù)、支護(hù)技術(shù)及施工組織將大幅度提高巖巷掘進(jìn)速度。