探讨破碎松软地层矿山巷道掘进施工工艺

孟 元

（中国高岭土有限公司，江苏 苏州 215151）

随着社会进步和发展，人力成本已成为劳动密集型企业成本的主要构成部分，而且作为典型的艰苦、高危行业，井下一线工人招工越来越难。中国高岭土有限公司观山矿当前井下务工人员主要为50岁左右的中年人，40岁以下的年轻人一般不会从事井下一线劳动，未来随着当前井下劳动主力的50岁左右人员逐渐进入退休年龄，企业将面临无人可用的尴尬局面[1]。因此，提高机械化水平，以设备换人将成为地下矿山可预见未来不得不采取的对策；现阶段矿山巷道掘进主要采用人工风镐掘进和钻眼爆破掘进两种方式，机械化程度较低，为解决可能制约矿山长期稳定可持续发展的上述问题，提出引进安全性更好、机械化程度更高的矿山巷道掘进施工工艺，提高机械化采矿水平，实现采矿技术的升级换代[3]。依据矿山安全事故资料统计，顶板死亡事故占总安全事故量的一半，而在矿山掘进切割过程中巷道空顶区垮塌、冒顶事故占顶板死亡事故大约三分之一，在矿山生产总安全事故中具有很大的占比[4]。其主要原因是掘进过程中巷道围岩应力状态比较复杂，如果不采取有效的施工工艺，很容易出现顶板冒落、垮塌、帮部脱落等现象。而在破碎松软地层的矿山巷道中，此类现象更容易发生，因此对矿山巷道掘进施工工艺进行研究。

1 矿山巷道掘进施工工艺设计

1.1 爆破掘进施工工艺

在进行矿山巷道掘进施工过程中，对巷道掘进爆破位置进行设计，爆破位置的布置与爆破效果的好坏对总体的爆破相当重要[5]。爆破位置总体装药量在2公斤/立方米左右。进行掏槽眼的布置，掏槽眼的深度比其他炮眼要深15～20公分。楔形掏槽眼间距为20～60公分，根据岩石的硬度调整，眼底必须保持距离为10～20公分，一般布置三对掏槽眼。中心眼不装药。掏槽眼的装药系数通常为0.65～0.7，如果岩石坚硬可增加掏槽眼的装药系数到0.8。在岩石节理裂隙发育时，孔距应更小些，以提高爆破质量效果。爆破位置形成轮廓线的距离是周边眼间距的1.25倍。底眼的间距取小值。周边眼的装药系数根据孔距和岩石硬度综合考虑，取0.5左右。辅助眼的间距为40～60公分，辅助眼要按照设计的数目，均匀地分布在掏槽眼和周边眼之间。辅助眼的装药系数取0.50～0.55，根据岩石的硬度选择。根据矿山巷道上爆破位置的分布，对容易发生坍塌的位置进行巷道支护处理。

1.2 对爆破后矿山巷道进行支护处理

根据对矿山巷道掘进爆破位置的布置情况，适当选择破碎松软位置进行矿山支护，若一般矿山巷道岩性完好，可不支护，但要处理好浮石；如果岩石稍有破碎，可适当布置锚杆和进行喷浆，喷浆厚度通常25～50mm；如果岩石破碎较严重，采用料石（不砌底拱）支护或金属支护；软岩采用料石带底拱支护或金属支护。软岩施工要准备好电煤钻及相应的钻头和钻杆、电源、锚杆、风钻，硬质岩石用风钻及相应的钻头和钻杆、风源，锚杆推进的连接件。用钻进机具（软岩使用电煤钻，无法用电煤钻时用风钻）进行钻孔时，要与岩面垂直，钻进深度稍长于锚杆深度就可以，然后，用风钻将锚杆顶进孔内，锚杆的托板贴紧岩面，如图1所示。

图1 爆破后矿山巷道支护

根据技术人员要求对锚杆网度进行布置。操作前要敲帮问顶，防止松散、脱落石块伤人。认真观察断裂面的情况，操作人员所站立位置要选择在安全可靠的地方，注意施工中机具振动产生的岩石脱落伤人，钻眼要与岩面垂直才能产生锚固效果。喷浆机的风、电、水源，喷浆机及其管、枪，通风设施，人员防护口罩、眼镜等，按比例配好的混凝土干料。先处理好顶帮浮石，并用高压水枪进行冲洗岩壁。水灰比、混合比要符合作业规程要求。开机前要检查压力表上的风水压力，尽可能保持水压大于风压。操作时戴好口罩，掌握好喷嘴到工作面的距离，喷砼为0.8～1.2米，喷浆为1.2～1.5米。为减少回弹，尽可能与岩面保持较大角度，坚持先送风后送水，停歇时先停水后停风。喷射顺序是由近到远，先帮后顶。将水量调到喷出的混凝土不会太稀而流淌为此，均匀地喷到断面上，同时，对凹陷面给予填平。喷浆前将巷道进行清理，安装好局扇，加强通风，减少职业危害，尽可能将回弹料控制在最小范围内，喷头胶管不能弯曲过度，喷射结束时要用压气清洗管路和清扫设备。准备好支护需用的料石、混凝土、碹架、碹条、工具。如果不是扶临时棚，则按技术人员挂好的中线，量好到墙边线的距离开挖墙基础。如果岩性较松散就开挖一边护好帮后砌墙，如果岩性较好，可以二面同时开挖，但必须确保两帮不塌方，必要时要加固两帮。墙深一般有两种类型，软岩带底拱的为1.9米，无压力的破碎岩石，不发底拱的其墙深为1.7米。墙的厚度按要求砌成，墙面要平整，砂浆要充足；墙砌好以后，用碎石或泥土进行填实两帮；然后，将顶板处理好，固定好碹架，放好碹条后从两侧向中间进行支护。当发碹进行到中间部位料石无法正常摆设时，需利用鎯头之类工具，根据接口尺寸大小现场加工料石，并用石片将夹角塞牢，然后充填砂浆，从外向里逐一摆放，碹条相应从外向里推进。碹顶要充填，不得空顶。对爆破后矿山巷道布置锚杆喷浆支护后，根据锚杆的支撑点，在支护矿山巷道中进行掘进扶棚施工。

1.3 悬臂式掘进机配套单体锚杆钻机掘进施工工艺

破碎松软地层矿山巷道属于软岩巷道。软岩的特征为强度相对较低、单轴抗压强度小于 25MPa、胶结程度差、孔隙大、受风化和构造面、裂隙切割影响显著。

采用的悬臂式掘进机配套单体锚杆钻机的掘进工艺，其施工流程为：掘进机掘进 1～2 个锚杆排距；掘进机后退或退出；锚杆钻机进入进行锚杆钻孔支护；锚杆钻机退出；掘进机进入迎头掘进 1～2 个锚杆排距；1 个作业循环完成。该过程是一个复杂的综合系统工程，包括巷道掘进切割，掘进孔爆破，锚杆钻孔支护，喷浆处理，材料及各种机具现场布置等诸多环节。

悬臂式掘进机按照由下到上，再由上至下的顺序依次切割，掘进机在切割完部分区域后，切割头后退至巷道掘进截面的开始位置，然后掘进机机身向右侧挪动，再切割剩余的部分一个断面进尺完成后，掘进机退出切割的空顶区域，工人进入到空顶区先进行临时支护，再进行挂锚网、打眼钻孔锚杆锚索永久支护作业，至此完成一个作业循环的掘进。悬臂式掘进机配套单体锚杆钻机的掘进工艺为单行掘进作业方式，该掘进作业方式施工便捷性好，组织管理协调简单。

2 实验分析

进行对比试验，进行传统方法1人工打风镐施工、传统方法2钻眼爆破掘进施工与悬臂式掘进机配套单体锚杆钻机的掘进工艺在矿山巷道掘速率上的对比，分析对比试验，验证较好的掘进方法。

2.1 实验准备

在实验开始前，按照施工图对矿山巷道进行支护布置，施工前须有施工组织设计，报上级主管部门或有关处室审批，并向施工人员做好技术交底。分别应用传统方法1、传统方法2与破碎松软地层矿山巷道掘进施工工艺对矿山巷道进行掘进施工。依据安全技术操作规程。施工过程中须作好施工记录，以1d（1天）为施工速率的计量单位，对三种方法的矿山巷道掘进速率进行测量。测量十组矿山巷道掘进速率结果，进行对比分析。

2.2 矿山巷道掘进速率对比

矿山巷道掘进速率对比结果如表1所示。

表1 矿山巷道掘进速率对比

根据表中数据可知，采用人工打风镐施工时矿山巷道掘进速率最高为1.86m/d，矿山巷道掘进速率最低为1.63m/d。采用钻眼爆破掘进施工时矿山巷道掘进速率最高为1.48m/d，矿山巷道掘进速率最低为1.32m/d。采用悬臂式掘进机配套单体锚杆钻机的掘进工艺时矿山巷道掘进速率最高为2.12 m/d，矿山巷道掘进速率最低为2.00 m/d。因此可以判断出悬臂式掘进机配套单体锚杆钻机的掘进施工工艺效率更高。

3 结束语

破碎松软地层中矿山巷道掘进施工难度较大，使用传统方法掘进，机械化水平和工效较低，风险性较高，极易出现冒顶片帮现象。根据本文研究，采用机械化程度更高的悬臂式掘进机配套单体锚杆钻机的掘进工艺，使得矿山巷道掘进施工和支护的效率得到提升，也大大提高了作业过程中的安全性。