某矿硬岩巷道掘进最优炮孔深度选择

2021-10-22王芝广王晓东乔英俊

现代矿业 2021年9期

柴敏赵冉王芝广王晓东乔英俊韩丁

（1.山西亚美大宁能源有限公司；2.晋中市煤炭规划设计研究院；3.晋中长泰安全科技有限公司）

山西某矿底抽巷掘进工作面围岩主要为砂质泥岩，掘进巷道为矩形断面，整个巷道横跨2个岩层（K6、K7）。巷道埋深为617.7 m，巷道宽为4.6 m，高为3 m，掘进断面积为13.8 m2。根据测得的抗压强度:K7细砂岩为107.96 MPa、砂质泥岩为9.68 MPa、K6石灰岩为115.21 MPa，该巷道为硬岩巷道。由于所掘巷道围岩硬度较高，在使用现有的综掘机作业时，耗材量比较大，且经常需要停机，大大缩减正常作业时间。除此之外，使用该掘进机掘进时存在的问题还有其适应能力差，面对井下各种复杂的地质情况易受限［1-2］。因此，为形成适应该矿高抽巷工作面地质条件的快速掘进体系，提出引进钻装一体机组，解决综掘机在硬岩巷道效率低的问题，采用工艺为钻爆法，利用钻装一体机组的高效作业方法实施快速掘进［3-5］。

1 模型建立及结果分析

1.1 模型建立

为直观观测到快速掘进的效果，利用ANSYS LSDYNA软件进行爆破数值模拟，对最佳炮孔深度进行选择。模拟炮孔深度分别为1.2、1.8、2.4 m，其余参数一致，直径为42 mm、间距为500 mm、装药为0.8 kg。模型形状根据巷道断面选用立方体，为观测到爆破对顶板的影响，正面断面尺寸为4.6 m×4 m，高度为1 m，深度取3 m。

1.2 炮孔深度爆破模拟分析

根据矿方的模拟实验和经验确定最佳炮孔间距为500 mm，以炮孔深度为唯一变量，通过对比表1中3个方案得出最优选。

1.2.1 模型裂隙发育

图1 ~图3所示的应力云图展现出岩石被爆破后的效果，比较3个模型在5 000 μs时的爆破效果图，炮孔深度为1.2 m（方案一）时，岩石中产生的裂隙向自由面发展，且集中在断面上部；炮孔深度为1.8 m（方案二）时，岩石中产生的裂隙向自由面发展，且分布较均匀；而炮孔深度2.4 m（方案三）时，产生的裂隙大多集中在岩石的内部，只有少数延伸到自由面。得出2.4 m的炮孔深度时，受到岩石的约束力较大，形成的爆破效果不能达到预期，1.2 m的炮孔深度时，裂隙分布不均匀且集中在断面上部，对顶板造成一定破坏，对比得出方案二比方案一、三的效果理想。

1.2.2 模型爆破量分析

由表2可以看出，爆破量随时间而减小，3个方案累计爆破量分别为13.08、12.43、11.36 t，方案三的爆破量相对较小，方案一、二的爆破量都较大，且差别不大。

1.3 模拟结果分析

炮孔深度1.2 m（方案一）时，岩石中产生的裂隙向自由面发展，且集中在断面上部，爆破量为13.08 t；炮孔深度为1.8 m（方案二）时，岩石中产生的裂隙大多向自由面发展，且分布较均匀，爆破量为12.43 t；炮孔深度为2.4 m（方案三）时，产生的裂隙大多集中在岩石的内部，只有少数延伸到自由面，2.4 m的炮孔深度夹制作用严重，且爆破量较小。通过分析，方案一、二的爆破效果都较好。在裂隙发育方面，方案二效果更好，在爆破量方面，方案一效果更好，为进一步选出最佳方案，进行现场爆破工业试验。

2 现场工业试验

在试验巷道中，分别对方案一、方案二依次进行试验，按照相同的循环作业方式进行。方案一的爆破效果一般，巷道掘进时，还爆破了部分K7细砂岩，造成巷道顶板不规整，在对顶板进行支护的过程中，这种不规整影响了工作进度和效率；因此，打眼和支护这2个工序消耗的时间最多，每个循环爆破崩落岩石的大块数为4~5块，增加了人工破岩的施工工序，日进尺量为3.1 m。方案二的爆破效果较好，巷道掘进时，只爆破了设计断面尺寸内岩石，巷道顶板规整；在对顶板进行支护的过程中，提高了工作进度和效率，日进尺量为5.2 m，较方案一提高2.1 m。方案二与综掘机方案相比，解决了综掘机掘进成本高，工作面环境差，在硬岩巷道的适应能力差等问题，并且提高近2 m的单循环进尺量。

对比爆破效果，从爆破效率、节约成本以及安全作业这3个方面考虑，方案二的爆破取得了较好的爆破效果。