钻爆法快速掘进技术优化研究

魏国帅

(阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西 阳泉 045000)

岩石巷道掘进是一项需要爆破、运输、支护、通风等多个环节密切协调配合的工作，涉及到的机械设备众多，工序复杂。巷道的快速掘进则要求在保证各工序正常运行的前提下，尽量加快正规循环进度，提高出矸和支护的效率，进而缩短巷道掘进的总时间。张学亮[1]认为，影响快速掘进的因素分为输送速度、以岩巷掘进工作的安全性为中心点的外部因素以及岩巷掘进所处的岩层环境、岩层掘进技术的先进程度、岩巷掘进设备的先进程度、岩巷掘进工作管理人员的管理能力等内部因素。李刚，牛磊等[2-3]学者通过增加炮孔深度，以中深孔爆破技术为基础，结合岩石力学分级指标和爆破理论，设计了硬岩掘进方案，并取得了成功；熊亮,郑文强[4]通过增加自由面和补偿空间的方式对掏槽孔布置进行优化，提出了双孔装药矩形直眼掏槽技术，并应用于某矿区巷道掘进,取得了良好成果。阳煤一矿北翼新补胶带运输巷为大断面巷道，在掘进过程中，出现了掘进进度缓慢，大块矸石较多，爆破效果差等问题，不利于巷道的快速掘进，影响采区的正常接替和生产需求。因此，以该矿为工程背景，进行了钻爆法快速掘进技术的优化，以期为解决类似问题提供参考。

1 工程背景及影响因素分析

1.1 工程背景

北翼新补胶带运输巷作为北翼采区的运输大巷，属全岩巷，设计长度1 802 m，服务年限30年。经顶底板窥视和岩石力学实验得知，顶板为坚硬石灰岩，厚11.75 m，摩式硬度为12，底板为黑色泥岩，围岩维护良好，无明显的矿压显现。断面净宽4.7 m，净高3.1 m，采用YT-29A型风钻湿式钻眼，毫秒延期电雷管一次起爆的方式爆破，耙岩机出矸，胶带输送机运输。

该巷道掘进初期，平均每月进度不到60 m，每日正常循环进度不到2 m，炮眼利用率一般仅有60%～70%，爆破出的矸石块度最大可达90 cm×70 cm，50 cm×50 cm以上块度的矸石占总矸石爆出量的20%～30%，崩落距离可达20 m以上，常有崩坏掘进设备、支护设备和风筒的情况发生。

1.2 影响因素分析

1.2.1钻孔布置方案不合理

该巷道原钻眼布置见图1，共布置炮眼48个，其中掏槽眼6个，辅助眼4个，周边眼38个。掏槽眼水平间距2.1 m,垂直间距7.7 m，眼深2.0 m，角度74°.辅助眼间距1.1 m，与掏槽眼相距597 mm，眼深1.8 m，方向垂直于工作面。水平周边眼间距410 mm，垂直周边眼间距440 mm，与辅助眼相距600 mm，角度95°. 对于大断面巷道，48个炮眼相对较少，分布稀疏，掏槽眼相距2.1 m，在这种情况下，应力波和冲击波在炮眼周围形成的裂隙未能较好的延伸和扩张，形成的破碎区范围小，因此矸石块度较大。

图1 原方案炮眼布置图

1.2.2施工和出矸方式落后

目前，该工作面钻孔施工采用的是YT-29 A型风动式凿岩机，该方式的优点为机动灵活，2人即可完成打眼任务，定位速度快，打眼角度便于控制，但是缺点在于打眼速度慢，巷道上部钻孔难施工，必须站在堆积的矸石上进行施工。因此，钻孔数目较多和巷道高度较大的巷道不适用。出矸方式采用的仍是较为落后的耙岩机出矸，出矸连续性差，钢丝绳易磨损，牵引区容易发生事故，巷道断面较大时需要多次更换钢丝绳变向轮。

1.2.3其他影响因素

在生产组织方面，交叉平行作业状况仍然有待改进，各工序衔接不到位的情况容易影响正常的掘进作业。支护不到位，巷道成型差，辅助工序和主要工序衔接配合不好，造成工作停滞，重复返工，导致不能完成正常循环。

2 钻爆法快速掘进技术优化

2.1 钻孔布置方案优化

针对原方案存在的问题，对方案进行了优化，炮眼数量增加到68个，增加了2个中心眼，眼深2 m，垂直于工作面；掏槽眼分为一级掏槽和二级掏槽，其中一级掏槽6个，为眼深1 m，角度68°的浅眼，以增大两侧岩石的自由面；二级掏槽8个，眼深2 m，角度73°；辅助眼9个，眼深增加到1.9 m，角度83°；周边眼和底眼共计27个，眼深1.8 m，倾角均向外侧偏3°；在辅助眼和周边眼之间增加了16个二圈眼，眼深1.8 m，角度86°. 随着炮眼数量的增加，眼间距也相应减小。具体变化情况见图2.

图2 优化后方案炮眼布置图

2.2 施工和出矸方式优化

由于原施工和出矸装备不适用该工作面，引入CMZY系列钻装机作为施工钻孔和出矸的主要装备。该机器是一种集钻孔、破碎、装载、运输、行走、喷雾灭尘于一体的综合钻孔与装载设备，具有多重功能，钻眼速度快，能够适应≥12 m2的大断面工作面，出矸连续性好，能够将大块矸石破碎后运出。不同施工出矸方式时间消耗对比见表1.

通过表1可知，优化后每次正规循环可以节约206 min，节约了人力资源，如果增加工人操作机器的熟练度，还可以进一步减少施工和出矸所需要的时间。

2.3 其他措施

除了改变钻孔方案和采用更先进的施工及出矸设备外，在生产组织上也进行了优化，将采用钻装机节约出来的人力转向其他工作，如巷道清理、准备支护材料、搅拌喷浆材料等，可以提高辅助工作的效率，节约时间。每班专门增加爆破大矸工序，将大块矸石有计划爆破成d20 cm以内的小块矸石，便于钻装机进行出矸作业。对风筒等容易被矸石砸坏的机械设备，采用木板、废旧胶带等进行专门的保护，设备尽量后撤到距离工作面40 m之外。

表1 时间消耗对比表

3 工程实践

对北翼新补胶带运输巷进行技术优化后，进行了掘进实验，目前该巷道每月平均进尺100 m，比优化前增加60%，每日正规循环进度可达3 m，大矸数量和崩坏机械设备的情况明显减少，残眼率下降到10%以下。

4 结 论

1) 岩石巷道快速掘进效率主要取决于爆破方案、出矸方式、施工方式等若干因素，还与巷道成型、辅助工作和支护等有关。

2) 通过增加炮眼数量，调整掏槽眼分布、增加二圈眼和中心眼，缩小眼间距等措施改进炮眼布置方式，有效提高了爆破效率，减少了大块矸石。

3) 通过优化施工和出矸装备，改用CMZY系列钻装机可以减少206 min的时间消耗，提高施工和出矸效率，有助于合理调配施工人员，提高整体的施工效率和循环进度。