周慶宏，肖殿才

(1.安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.淮南礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司 深部煤炭開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232001)

隨著煤炭開采機械化裝備水平的提高，開采強度和效率成倍增加[1，2]，掘進巷道工程量也大幅增長[3]。同時隨著礦井服務(wù)年限的增加以及淺部資源的減少，采場布局逐漸向深部轉(zhuǎn)移[4]，系統(tǒng)巷道工程量隨之增多，因此巖巷掘進效率成為影響礦井采掘接替的關(guān)鍵因素之一。目前我國巖巷掘進主要采用鉆爆法與機掘法施工[5，6]，對于硬巖巷道掘進，鉆爆法是普遍采用的方法[7，8]，進尺基本保持在60m/月[9]，無法滿足礦井持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的需求，大斷面硬巖開拓巷道掘進效率成為制約礦井高效集約化發(fā)展的瓶頸。馬力等[6]建立中深孔爆破機械化作業(yè)線，形成了鉆、裝、運一體化快速掘進作業(yè)模式，改善了施工環(huán)境，施工效率大幅提升；張召冉[10]等通過掘進影響因子指標體系分析，指出了影響掘進速度的關(guān)鍵因素，并針對淮南礦區(qū)巖巷掘進提出了改良措施；魏垂勝[11]采用線性聚能光面爆破技術(shù)降低了炮眼數(shù)、裝藥量，提高了光面爆破效果；楊仁樹等[12]認為采用切縫藥包可以改善爆破效果，提升巷道周邊成型質(zhì)量，減少超欠挖；李海洋，袁文華等[13，14]通過對排矸系統(tǒng)的改造實現(xiàn)了巖巷的快速掘進；秦衛(wèi)生、闞磊等[5，15]分析了巖巷快速掘進的多方面影響因素，從施工層位、支護設(shè)計、作業(yè)方式及掘進裝備方面采取了優(yōu)化措施；肖同強等[16]分析了制約巖巷掘進速度的主要因素，提出了“時空立體交叉施工作業(yè)”方法和五位一體綜掘快速成巷技術(shù)體系。以上研究雖均大幅改善了巖巷炮掘的施工效率，但未結(jié)合炮掘各施工工序環(huán)節(jié)作全面分析，同時由于巖巷掘進系統(tǒng)的復(fù)雜性，很難從單一某方面大幅改善掘進效率[17]，而且不同施工條件下的掘進效率影響因素差異明顯，因此應(yīng)對具體條件進行分析，確定關(guān)鍵影響因素，提出針對性的解決方案。本文以淮南礦業(yè)集團煤業(yè)公司潘三礦西三下部采區(qū)軌道大巷為工程背景，現(xiàn)場跟班寫實記錄各施工工序環(huán)節(jié)用時，結(jié)合現(xiàn)場情況對各施工工序環(huán)節(jié)逐一進行分析，確定了大斷面硬巖巷道炮掘快速施工的關(guān)鍵影響因素，從支護方案優(yōu)化、施工設(shè)備配備、線性聚能爆破、出矸系統(tǒng)改造和施工組織保障5個方面提出改進措施，形成了硬巖炮掘快速施工體系，實現(xiàn)了交叉平行作業(yè)，優(yōu)化了施工組織，提升了施工效率，加快了采區(qū)接替進度。

1 工程概況

潘三礦西三下部采區(qū)軌道大巷為采區(qū)系統(tǒng)巷道，設(shè)計標高為-791.5～-795.6 m，長度1020 m，設(shè)計坡度為5‰，主要服務(wù)于西三下部采區(qū)的材料、設(shè)備運輸、進風(fēng)及行人，服務(wù)年限在30 a以上。該巷地質(zhì)構(gòu)造條件簡單，巖層產(chǎn)狀：150°～200°∠0°～6°，掘進區(qū)段揭露的主要巖性為：石英砂巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉細砂巖，綜合柱狀如圖1所示。該巷無突水危險性，主要充水性因素為以靜貯量為主的頂板砂巖裂隙水。

圖1 綜合柱狀及支護方式(mm)

巷道采用鉆爆法施工，設(shè)計斷面為直墻半圓拱形，掘進斷面尺寸為：寬×高=5400 mm×4300 mm，采用錨網(wǎng)噴支護。錨桿規(guī)格為?22 mm×2400 mm，間排距800 mm×800 mm，在兩排錨桿間布置錨索，錨索規(guī)格為?21.8 mm×7400 mm，間排距1600 mm×1600 mm，每排按照5根布置，噴漿厚度100 mm，混凝土標號為C20。錨桿錨固力120 kN，扭矩力不低于150 N·m；錨索的預(yù)緊力為150 kN，錨固力為200 kN。

巷道撥門處位于石英砂巖和砂質(zhì)泥巖層位，斷面上部1/3為砂質(zhì)泥巖，其余為石英砂巖。現(xiàn)場勞動作業(yè)方式為“三八”制，采用YT-28型氣腿式風(fēng)動鑿巖機施工炮眼，P-90B型耙斗裝巖機配合礦車進行排矸。施工隊總共42人，前3個月平均進尺38 m/月，人均進尺0.9 m/月，施工效率低，影響了巷道的整體進度。為了提高巷道單進水平，現(xiàn)場進行了3個圓班的跟班寫實，記錄每個工序的施工時間以及現(xiàn)場情況，為進尺影響因素分析提供基礎(chǔ)。3個圓班共完成4個循環(huán)，平均每18h完成一個正規(guī)循環(huán)，根據(jù)實際施工時間繪制的作業(yè)循環(huán)如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場作業(yè)循環(huán)

掘進過程中水溝、管路及軌道鋪設(shè)在月度成巷時集中完成。迎頭進尺時，炮眼施工用時最長，約207 min；其次為倒矸、二次驗炮工序，用時約121 min；然后為裝藥環(huán)節(jié)，用時約118 min；再者為錨索施工環(huán)節(jié)，用時約103 min；耙矸機排矸貫穿于整個施工環(huán)節(jié)，在具備平行作業(yè)條件且有礦車時均進行排矸作業(yè)，但由于現(xiàn)場條件限制，并不能連續(xù)作業(yè)，整個工序合計用時約300 min，占循環(huán)進尺時間的27.8%。

現(xiàn)場光面爆破效果差，眼痕率約50%，設(shè)計掏槽眼深2.4 m，其余眼深2.2 m，炮眼利用率約60%，炮后實測進尺1.4～1.6 m，局部未達到進尺長度，支護前采取人工刷擴；同時炮后巷道成型差，矸石塊度不均勻，大塊矸石多，影響后期排矸，需二次進行破碎，斷面內(nèi)多處欠挖，局部超挖，均需要采用人工刷擴。

2 掘進效率影響因素分析

巖巷炮掘是一個復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，包括鑿巖、爆破、支護、排矸、運輸?shù)裙ば?，如圖3所示，各工序間環(huán)環(huán)相扣，彼此間相互影響和制約，同時還受外部環(huán)境影響，如地質(zhì)因素等自然條件、施工管理和工序安排等組織因素、設(shè)備配套以及輔助系統(tǒng)等?，F(xiàn)場施工狀況分析表明，制約該巷道掘進速度提高的關(guān)鍵因素有以下6個方面：

圖3 巖巷炮掘工序及影響因素

1)支護強度大。支護設(shè)計針對巖性較差的巷道施工層位提出了安全系數(shù)最高的支護方案，未考慮巷道穿層情況，在硬巖段巷道支護方案強度過剩，既提高了支護成本，又影響了施工效率。尤其是錨索鉆孔進入中粗砂巖層位施工時，效率極低，每米鉆孔平均施工20 min。

2)爆破參數(shù)不合理。合理的掏槽技術(shù)可以提高循環(huán)進尺率，周邊眼的布置方式?jīng)Q定巷道的成型效果，試驗巷道每循環(huán)需施工炮眼102個，密度大，施工207 min，時間長，爆破后循環(huán)進尺效率低，周邊成型差，超欠挖嚴重。

3)機械化程度低。硬巖大斷面巷道掘進采用YT-28型氣腿式風(fēng)動鑿巖機配備6人施工炮眼，打眼速度慢，施工效率低，且占用了大量人力資源。

4)排矸效率低。采用耙斗裝巖機配合礦車的方式排矸，排矸作業(yè)時間受限，繼而影響后續(xù)工序；同時現(xiàn)場采用P-90B型耙斗裝巖機排矸，現(xiàn)場矸石塊度不均勻，耙斗裝滿率低，排矸效果差。

5)炮眼施工質(zhì)量差?，F(xiàn)場采用YT-28型氣腿式風(fēng)動鑿巖機施工炮眼，由于人工操作的誤差，爆破后炮眼眼底間距與設(shè)計偏差較大，周邊眼沿炮眼軸向不平行。

6)組織管理有待于改善。由于巖性問題，錨索施工時間較長，影響了后續(xù)各工序的實施；同時排矸雖實現(xiàn)了平行作業(yè)，但受礦車數(shù)量的限制，實際作業(yè)時間不連續(xù)。

根據(jù)上述影響因素分析，要實現(xiàn)該條件下的巖巷炮掘快速施工，支護參數(shù)差異化調(diào)整是基礎(chǔ)，鑿巖機械化和排矸連續(xù)化是本質(zhì)，爆破參數(shù)優(yōu)化及爆破方案選擇是關(guān)鍵，炮眼施工質(zhì)量是保障，科學(xué)合理的施工組織是重點。基于此，在大斷面硬巖炮掘生產(chǎn)技術(shù)條件下，提出“差異化支護設(shè)計—設(shè)備配備與改進—線性聚能爆破—柔性連續(xù)排矸系統(tǒng)—施工及勞動組織保障”的巖巷炮掘快速施工技術(shù)。

3 巖巷炮掘快速施工技術(shù)

3.1 差異化支護設(shè)計

厚硬砂巖頂板能夠承受巷道開挖引起的二次應(yīng)力集中，具有更強的水平應(yīng)力傳遞能力[18]；同時直墻半圓拱形斷面具備一定的承載能力，因此支護的重點應(yīng)該是幫部。采取合理的措施提高幫部承載能力，彌補巷道開挖引起的幫部水平應(yīng)力釋放，間接增強頂板承載性能，進而提高巷道圍巖整體穩(wěn)定性。

此外，錨桿索施工過程，巖石硬度與鉆孔難度成倍數(shù)關(guān)系增加[18]，嚴重降低了支護施工效率。因此不同頂板條件選取不同的支護參數(shù)，有效地提高支護設(shè)計針對性，不僅能提高支護施工效率，還能降低礦井生產(chǎn)成本?，F(xiàn)場施工時，將支護工序分為了頂板和幫部兩個步驟，因巷道穿層施工特點，在上述基礎(chǔ)上提出差異化支護方案。

1)頂板支護。頂板采用3級支護。第一級支護為錨網(wǎng)，錨桿規(guī)格為?22 mm×2000 mm，間排距1000 mm×800 mm；考慮巷道服務(wù)周期長，增加二級錨索支護，錨索位于2排錨桿之間，錨索規(guī)格為?21.8 mm×4300 mm，間排距1600 mm×1600 mm，每排按照5根布置，三級支護為噴漿，形成表面隔離層，封閉圍巖，防止其風(fēng)化，如圖4所示，其它支護參數(shù)同原設(shè)計。同時要求施工錨索鉆孔時，對鉆孔內(nèi)巖性進行隨鉆記錄，當(dāng)錨索頂端錨固在砂巖內(nèi)小于1200 mm時，增加錨索長度，增加錨索長度為1200 mm。

圖4 優(yōu)化后巷道圍巖控制技術(shù)方案

2)幫部支護。幫部采用錨網(wǎng)噴2級支護。錨桿規(guī)格為?22 mm×2800 mm，間排距600 mm×800 mm，同時為了改善巷道底鼓情況，最下一排錨桿與水平面夾角20°向下施工，其它支護參數(shù)不變。當(dāng)巷道底板向上2500 mm范圍內(nèi)砂質(zhì)泥巖(含炭質(zhì)泥巖)總厚度超過2 m時，兩幫在其厚度分布范圍中間位置各布置一排“錨索+T3鋼帶”，組成幫部錨索桁架，以增強幫部支護強度。錨索規(guī)格為?21.8 mm×4300 mm，間距1200 mm，T3鋼帶長度2800 mm，相鄰鋼帶間壓茬搭接，如圖4所示。

3.2 設(shè)備配備與改進

1)建立液壓鉆車作業(yè)線，配備1臺CMJ2-17型煤礦全液壓掘進鉆車，專門用于施工炮眼。該設(shè)備具有2個鉆臂，鑿巖效率高、速度快，鑿巖成本低，改善了工作環(huán)境，而且操作簡單，人員處于頂板有效支護范圍內(nèi)工作，防止了空頂作業(yè)。最大鉆孔深度可達到2600 mm，施工過程中避免了人工打眼造成的炮眼質(zhì)量問題，鑿巖施工質(zhì)量可靠。

2)調(diào)整耙斗裝巖機型號，將現(xiàn)場使用的P-90B型耙斗裝巖機更換為P-120B型耙斗裝巖機。P-120B型耙斗裝巖機技術(shù)生產(chǎn)率在120 m3/h以上，在裝巖條件較好時裝滿系數(shù)可達0.7～0.8，平均技術(shù)生產(chǎn)率在100 m3/h左右，考慮礦車調(diào)度時間，實際生產(chǎn)率為30～40 m3/h[19]。

3)為了進一步提升礦車利用效率，減少迎頭進料時間，將可伸縮帶式輸送機下部直托輥改為雙托輥，采用底膠帶進行運輸，用于迎頭進料，如圖5所示。當(dāng)物料到達施工巷道時，人員卸料后直接采用帶式輸送機運至巷道料場，運送物料的礦車用于出矸，礦車不需進至料場卸料后再返回，而且?guī)捷斔蜋C運輸速度比礦車要快。通過帶式輸送機一機雙用，既減少了礦車循環(huán)時間，又提升了運料效率。

圖5 帶式輸送機底膠帶運輸系統(tǒng)

3.3 線性聚能爆破

基于切縫藥包的線性聚能定向預(yù)裂爆破技術(shù)可有效改善巷道周邊成型，改善光面爆破效果[10-12]。其原理是利用聚能材料，控制爆轟產(chǎn)物作用方向和作用效果，使其對巖體進行定向切割，在切縫方向中心線被拉斷，炮孔間形成貫通裂隙[20]。因此線性聚能爆破可增加炮眼眼痕率，減少對巷道周邊圍巖的損傷，其次還能減少周邊眼個數(shù)，節(jié)約循環(huán)時間。

針對線性聚能爆破，對原光面爆破參數(shù)進行了優(yōu)化，將原設(shè)計炮眼數(shù)減少到72個，掏槽眼由8個增加為12個，眼間距為400 mm，周邊眼由27個減少為16個，眼間距由400 mm變?yōu)?00 mm。線性聚能爆破炮眼參數(shù)見表1。

表1 線性聚能爆破炮眼參數(shù)

聚能材料采用一種抗靜電阻燃的PVC材料管，稱為聚能管，其截面成“D”型，長軸為28 mm，短軸為24 mm，聚能管槽內(nèi)角距離18 mm，聚能管外角度60°，最大線裝藥密度450 g/m。根據(jù)巖性的變化，可用半卷或整卷炸藥作為加強藥，同時可以調(diào)整聚能管長度或采取間隔裝藥來控制周邊眼的裝藥量，線性聚能爆破裝藥結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 線性聚能爆破裝藥結(jié)構(gòu)

3.4 柔性連續(xù)排矸系統(tǒng)

為了保證排矸系統(tǒng)的連續(xù)性，增加臨時儲矸倉，緩解因礦車供應(yīng)以及迎頭工序環(huán)節(jié)導(dǎo)致的出矸間斷、效率低的問題。利用配套的DSJ80-40-2×75伸縮帶式輸送機構(gòu)建“P-120B耙斗裝巖機—伸縮帶式輸送機—臨時儲矸倉—耙斗裝巖機—礦車”柔性排矸系統(tǒng)[13，21]，如圖7所示。

圖7 柔性排矸系統(tǒng)

1)對P-120B耙斗裝巖機出矸口進行改造，增加緩沖漏斗，降低堅硬矸石對帶式輸送機的沖擊破壞程度，減少設(shè)備故障率，同時該設(shè)施還起到導(dǎo)流和降塵作用。

2)臨時儲矸倉應(yīng)不影響輔助運輸系統(tǒng)。因此選擇巷道撥門口處寬闊地點，在輔助運輸系統(tǒng)另一側(cè)進行改造。臨時儲矸倉前端與帶式輸送機機頭相連，尾端再安裝一部P-120B耙斗裝巖機用于出矸。

3)臨時儲矸倉應(yīng)具備足夠的空間以滿足迎頭進尺排矸需求，為充分利用空間，將儲矸倉側(cè)巷道封閉，專門用于儲存矸石；同時為了便于出矸，對儲矸倉進行挖底，在其尾部形成10°～20°的緩坡。儲矸倉儲矸量可由V=μnsl計算[13]，式中，V為臨時儲矸倉容量，m3；μ為矸石碎脹系數(shù)，取1.8；n為掘進循環(huán)次數(shù)；s為巷道掘進斷面，m2；l為掘進循環(huán)進尺，m。巷道掘進斷面為20 m2，儲矸倉按照2個循環(huán)的需求量計算，每個循環(huán)進尺2 m，故儲矸倉臨時儲矸量為144 m3。

4)帶式輸送機機頭處進行抬高，落矸高度按照2.5 m計算，考慮輔助運輸需要，臨時儲矸倉寬度取2 m，內(nèi)部挖底深度1 m，按照儲矸倉臨時儲矸量，設(shè)計儲矸倉長度為25 m。

5)儲矸倉擋矸墻采用4 m長工字鋼立柱和70 mm厚木板建造，木板長4500 mm，寬300 mm；工字鋼立柱間距1 m，木板通過8#鐵絲固定在立柱上；立柱頂端焊接托盤，通過錨桿固定于頂板；托盤為正方形，由16 mm厚的A3鋼板加工制成，寬200 mm，四邊開孔，孔徑30 mm；底端通過挖腿窩和澆灌混凝土的方式固定，腿窩深度500 mm。

3.5 施工及勞動組織保障

1)加強人員培訓(xùn)交流，提升施工人員技能水平。安排地面實操培訓(xùn)，建立井下實操硐室，排定培訓(xùn)計劃，對各工序施工人員進行從理論到實際操作的全面培訓(xùn)，提升施工人員整體技能水平，保障施工質(zhì)量。

2)調(diào)整施工工序，采用平行作業(yè)方式，實現(xiàn)時間空間人員的最大化利用。硬巖段將錨索和噴漿工序滯后施工，待成巷階段時一次性完成，迎頭錨網(wǎng)支護完成后即進行下一工序。采用液壓鉆車打眼后，僅需2人即可，將打眼減少的人員安排于后方進行聚能管裝藥，與迎頭打眼平行作業(yè)，完成裝藥的聚能管可直接在迎頭進行安裝，簡化了周邊眼裝藥工序和時間。

4 工程應(yīng)用效果

在西三下部采區(qū)軌道大巷進行了工程試驗，形成了“液壓鉆車打眼—線性聚能爆破—安全高效支護—柔性連續(xù)排矸”的巖巷炮掘快速施工作業(yè)線，實現(xiàn)了“快速打眼、高效進尺、連續(xù)排矸、有效支護”，巷道成型好，施工效率高。炮掘進尺由38 m/月提高至86 m/月，進尺效率提高了126%，人工工效提高至2.04 m/(人·月)。

1)在現(xiàn)場布置圍巖表面位移觀測測站，驗證巷道圍巖控制效果。經(jīng)觀測后發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖變形距巷道掘進迎頭約100 m后趨于穩(wěn)定，頂板下沉量20 mm，底鼓量60 mm，左幫移近量35 mm，右?guī)鸵平?2 mm，差異化支護方案有效控制了巷道圍巖變形。

2)液壓鉆車打眼后，用工由6人降低至2人，而且打眼時間由207 min減少到90 min，效率大大提高。

3)線性聚能爆破技術(shù)，炮眼利用率98%，周邊眼眼痕率90%，循環(huán)進尺2.1 m；而且從炮眼、人工、炸藥等綜合費用測算，每米巷道節(jié)約爆破費用889.4元。

5 結(jié) 論

1)結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件和生產(chǎn)寫實記錄，從支護設(shè)計、爆破參數(shù)、設(shè)備配備、排矸效率、施工質(zhì)量以及組織管理6個方面分析了影響掘進效率的原因，提出了“差異化支護設(shè)計—設(shè)備配備與改進—線性聚能爆破—柔性連續(xù)排矸系統(tǒng)—施工及勞動組織保障”的巖巷炮掘快速施工技術(shù)。

2)研究確定了巖巷炮掘快速施工技術(shù)參數(shù)，設(shè)計了差異化圍巖控制技術(shù)方案；采用線性聚能爆破，優(yōu)化了炮眼布置參數(shù)；建立了具有臨時儲矸倉的柔性連續(xù)排矸系統(tǒng)；通過設(shè)備配備與改進，最終形成“液壓鉆車打眼—線性聚能爆破—安全高效支護—柔性連續(xù)排矸”的巖巷炮掘快速施工作業(yè)線。

3)在西三下部采區(qū)軌道大巷開展了巖巷炮掘快速施工技術(shù)，進尺效率提高了126%，月進尺提高至86 m，人工工效提高至2.04 m/(人·月)，實現(xiàn)了“快速打眼、高效進尺、連續(xù)排矸、有效支護”的安全高效掘進，顯著提高了巖巷炮掘的進尺效率。