◇安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院 吳金玲 郝朋偉

根據(jù)淮北礦業(yè)集團(tuán)某礦北四采區(qū)軌道下山超硬圍巖綜掘施工的實(shí)踐，找出了該條件下巷道掘進(jìn)效率提高的技術(shù)關(guān)鍵，即選用高質(zhì)量的截齒保證綜掘施工過程中的破巖效率。四采區(qū)軌道下山穿越的部分巖層的普世系數(shù)超過9，巷道綜掘施工中圍巖的破落效率極低，普通截齒的消耗量極大，不僅掘進(jìn)成本高，掘進(jìn)效率也無法提高。因此，在對普通截齒和高質(zhì)量截齒進(jìn)行對比測試，結(jié)合施工現(xiàn)場截齒的破壞狀態(tài)，找出了超硬圍巖巷道綜掘關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)分析結(jié)果，更換綜掘機(jī)截齒后，每1.6m范圍內(nèi)圍巖的破落時(shí)間由7小時(shí)降低至3小時(shí)，截齒消耗量由50-60個(gè)降低至1-2個(gè)，大幅提高了超硬圍巖巷道綜掘的進(jìn)尺及經(jīng)濟(jì)效益。

1 制約北四采區(qū)軌道下山超硬巖綜掘效率的關(guān)鍵因素分析

淮北礦業(yè)集團(tuán)某礦北四采區(qū)三條下山，包括皮帶下山、回風(fēng)下山及軌道下山，在掘進(jìn)過程中均需穿越4條主要斷層及伴生小斷層，巷道下山掘進(jìn)過程中經(jīng)常遭遇巖性變化的困擾，所揭露的砂巖段的普世系數(shù)普遍超過9，局部區(qū)域甚至達(dá)到11，屬于超硬巖石。以砂巖為主的硬巖掘進(jìn)區(qū)段目前的月進(jìn)尺只有90m左右，而且無論如何安排施工工序、提高平行作業(yè)效果，巷道進(jìn)尺速度都無法有效提高。

其主要原因在于硬巖掘進(jìn)期間的破巖效率極低、截齒消耗量過大。面對這樣的巖石，綜掘機(jī)的的破巖時(shí)間普遍超過4小時(shí)，局部區(qū)域的破巖時(shí)間甚至超過7小時(shí)，而且綜掘機(jī)截齒的消耗量達(dá)到了50-60個(gè)/兩排（1.6m）以上。

巖石的硬度過大是客觀存在且無法改變的事實(shí)，但是北四下山綜掘所用截齒的整體硬度偏低也是造成巷道進(jìn)尺效率的不容忽視的重要因素[1-4]。因此，有必要對現(xiàn)用截齒及高質(zhì)量的進(jìn)口截齒進(jìn)行系統(tǒng)測試分析，找出超硬圍巖巷道綜掘的技術(shù)瓶頸[5-6]。

2 截齒外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)對比分析

利用線切割工藝將現(xiàn)用的國產(chǎn)截齒和原廠標(biāo)配進(jìn)口截齒沿其軸線方向進(jìn)行縱向剖切，而后對二者的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行的直接的對比分析。線切割成型效果如圖1所示。

圖1 截齒剖切成型效果

兩個(gè)完整的截齒均被切割成了三部分：半個(gè)截齒、6mm厚的薄片、剩余的30%截齒。首先通過將兩種截齒的剖面直接對比在一張圖上，就可以很直觀地看到二者的區(qū)別。圖2中，紅色的痕跡為廠家標(biāo)配進(jìn)口截齒的剖面輪廓，黑色痕跡為施工現(xiàn)場正在使用的國產(chǎn)截齒的剖面輪廓?？梢钥吹竭M(jìn)口截齒整體根部渾圓、頂部堅(jiān)挺，截割頭暴露充分，破巖效率能夠得到保障；而國產(chǎn)截齒的根部有一個(gè)突然變窄而后又再次加粗的外形設(shè)計(jì)，截割頭被有意的包裹起來，破巖效率無法得到保障[7-9]。

圖2 兩種截齒剖面對比

從結(jié)構(gòu)上看，截齒由三部分組成：圖2中紅色區(qū)域圈定的部分為基體，基體外側(cè)為結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)部分，基體所包圍的區(qū)域?yàn)榻馗铑^，截割頭采用堆焊工藝與基體粘接。國產(chǎn)截齒顯然對自己的焊接效果不自信，所以在截割頭的周邊又焊接一圈保護(hù)層。

進(jìn)口截齒截割頭與基體的焊接嚴(yán)絲合縫，幾乎沒有任何缺陷，而國產(chǎn)截齒截割頭的底部與基體之間存在著明顯的缺陷，如圖3所示。這個(gè)不該出現(xiàn)的缺陷使得國產(chǎn)截齒在截割過程中很容易從基體上脫落而造成整體失效。國產(chǎn)截齒截割頭周邊補(bǔ)充的焊接的保護(hù)層是亡羊補(bǔ)牢的行為，對于整個(gè)截齒的損壞根本無力回天。

圖3 國產(chǎn)截齒內(nèi)部的缺陷

3 截齒不同部位洛氏硬度系統(tǒng)對比測試

對線切割成型兩個(gè)薄片對兩種截齒的硬度進(jìn)行了詳細(xì)地對比測試。進(jìn)口截齒剖面進(jìn)行了125個(gè)點(diǎn)的洛氏硬度測試，國產(chǎn)截齒的剖面進(jìn)行了129個(gè)點(diǎn)的洛氏硬度測試，多出來的4個(gè)點(diǎn)布置在了國產(chǎn)截齒的外緣保護(hù)層上，測試點(diǎn)布置編號如圖4所示。

圖4 硬度測試點(diǎn)編號

逐點(diǎn)完成兩個(gè)截齒剖面硬度測試后，將包含測點(diǎn)痕跡的薄片掃描成圖片，并將圖片在CAD軟件內(nèi)打開，逐點(diǎn)記錄各測試印痕點(diǎn)的位置坐標(biāo)及對應(yīng)硬度。

記錄完成后利用matlab軟件，將印痕點(diǎn)位置坐標(biāo)位置坐標(biāo)信息反映到x軸及y軸上，將對應(yīng)點(diǎn)的洛氏硬度反映到z軸上，形成綜合立體圖5及圖6，借以對比分析國產(chǎn)截齒和進(jìn)口截齒的差異。

圖5 進(jìn)口截齒剖面硬度測試

圖6 國產(chǎn)截齒剖面硬度測試

測試結(jié)果顯示，國產(chǎn)截齒截割頭、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)部分及基體硬度均與進(jìn)口截齒相差無幾，就連基體與截割頭相連接部位的硬度都基本相同，編號為20、65、99、121、102、77、30的測點(diǎn)的硬度測試結(jié)果也能直接反映二者的區(qū)別不大。

國產(chǎn)截齒的質(zhì)量問題主要是截割頭與基體之間的焊接牢固程度嚴(yán)重不足。

4 現(xiàn)場使用情況對比分析

2018年3月16日至22日，北四軌道下山采用廠家標(biāo)配進(jìn)口截齒完成了26m的硬巖（普氏系數(shù)9以上）下山掘進(jìn)。19個(gè)原廠標(biāo)配進(jìn)口截齒也完全消耗完畢?，F(xiàn)場統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，采用進(jìn)口截齒施工期間，綜掘機(jī)每完成1.6m區(qū)段的硬巖破落及出貨任務(wù)需要消耗截齒1～2個(gè)，破巖及出貨時(shí)間大約4～5小時(shí)。

國產(chǎn)截齒的對比數(shù)據(jù)如下：每完成1.6m區(qū)段硬巖的破落及出貨任務(wù)需要消耗截齒6～8桶（每桶8個(gè)），破巖及出貨時(shí)間超過7小時(shí)，另外綜掘機(jī)機(jī)座經(jīng)常因截齒更換不及時(shí)而受到損傷。