基于悬臂掘进机性能的矿岩综合分级方法

2023-10-23武茂超姚树标

黄金 2023年10期

武茂超,万鹏,姚树标

(山东黄金矿业(玲珑)有限公司)

引言

在巷道开挖工程中,悬臂掘进机凭借自身开挖扰动小、精准、污染小、工作效率高等优点,在矿山机械化开采中逐渐被广泛应用。但是,矿山工程地质条件对悬臂掘进机的适用性有一定的限制作用,同时悬臂掘进机自身工作性能对开挖也有一定影响。因此,需研究考虑矿岩质量及悬臂掘进机工作性能的综合分级方法。

此前多种围岩分级方法主要是基于矿岩性质、围岩稳定性等指标,如BQ分类法、RMR分级法、Q分类法等[1],采用该类分级方法取得了大量科研成果。郭亮等[2]通过对云南某磷矿进行现场考察并开展矿岩物理力学试验,依据RMR分级法对该矿山的岩体质量和稳定性进行了评定。王洋等[3]以金山店铁矿为工程背景,通过室内岩石力学试验,综合GSI围岩分级系统等对围岩进行分级,为采场稳定性分析提供有力支持。然而,这些研究成果不能为矿山掘进机机械化开采适应性提供依据。为此,大量学者开展了相关研究。王祥等[4]以贵阳地铁1号线为工程背景,研究悬臂掘进机掘进过程中的围岩分级方法,实现了对隧道掘进过程的准确预测,节约了施工成本,提高了工作效率。曹文贵等[5]在综合考虑工程地质、机械装备等因素的基础上,以瞬时掘进速度为指标进行围岩质量分级和三级模糊评价,丰富了岩体质量分级理论。刘保鑫等[6]以TBM工作性能为切入点进行了研究,总结TBM工作性能分布规律,建立了以TBM工作性能为岩体质量评价标准的围岩分级方法。赵克明[7]充分考虑岩体和设备的相互作用,提出了适用于臂式掘进机的自适应围岩分类BQ机的概念。

本文以山东黄金矿业(玲珑)有限公司(下称“玲珑金矿”)灵山矿区为研究背景,首先考虑采场矿岩结构面的表面状况及稳定性。在综合考虑悬臂掘进机工作能力的基础上,根据悬臂掘进机自适应分级给出了BQ机模型,建立可掘进性分级指标,最后综合考虑2种指标评价方法,建立基于悬臂掘进机性能的矿岩综合分级方法,并在现场进行验证,取得了较好的效果。

1 工程概况

玲珑金矿灵山矿区矿体赋存于蚀变型断裂带中,矿区岩石以破碎的蚀变花岗岩、钾化花岗岩和糜棱岩、绢英岩为主。根据采掘资料,在距离蚀变破裂带上盘1～1.5 m的区域,断层泥和糜棱岩较多,整体稳定性较差,经常发生坍塌现象[8]。

矿区选用XTR4/180悬臂式隧道掘进机,相关技术参数见表1。

表1 XTR4/180悬臂式隧道掘进机技术参数

以开采现场情况为依据,本次试验测定地点在玲珑金矿灵山矿区-510 m水平-6勘探线—-9勘探线的分层巷道附近,选取6个区域综合分析节理岩体表面状况及围岩稳定性。用ShapeMetrix 3D系统对各节理面进行扫描,将扫描得到的模型导入系统软件中计算分析得到各区域节理面信息,结果见表2。

表2 节理面参数统计结果

2 悬臂掘进机地层适应性分级

工程地质情况和悬臂掘进机掘进速度是巷道围岩掘进机适用性分级的主要分类标准。这种分类有助于明确悬臂掘进机的适用范围,提高施工效率,前人对巷道采用的围岩分类方法并不科学准确。因此,考虑岩石的单轴抗压强度(RC)、岩石的硬度和耐磨性、岩体结构面发育程度(KV)、岩体基本质量指标(BQ)和其他因素的分级研究展开如下:

1)岩石的单轴抗压强度(RC)。悬臂掘进机掘进作业过程中受岩石单轴抗压强度的影响较显著。由于岩体的拉伸、剪切强度远小于其抗压强度,悬臂掘进机在设计中也充分考虑了该力学性质。但是,岩石的单轴抗压强度和抗拉强度之间存在一定的关联性,所以悬臂掘进机的掘进难易程度受岩石单轴抗压强度的影响较为显著。

由XTR4/180悬臂式隧道掘进机的实际截割性能可知:岩石的单轴抗压强度为40 MPa时,悬臂掘进机的切割性能最佳。岩石的RC<40 MPa时,随着岩石单轴抗压强度的增大,悬臂掘进机的掘进速度变快,但岩石单轴抗压强度过低时,则易降低掘进效率;岩石的RC>40 MPa时,较大的岩石单轴抗压强度易造成悬臂掘进机截齿的损耗,而更换悬臂掘进机截齿的过程则降低了其掘进速度。因此,合理的岩石单轴抗压强度,不仅能够加快掘进速度,还能保障巷道掘进结束后围岩维持自稳。以岩石单轴抗压强度为指标划分悬臂掘进机利用率,结果见表3。

表3 岩石单轴抗压强度适应性分值

2)岩石的硬度和耐磨性。根据先前的研究成果及隧道工程的实际情况,施工过程中的截齿磨损对悬臂掘进机的运行成本影响较大。而悬臂掘进机截齿的磨损不仅受岩石单轴抗压强度的影响,而且受岩石内部矿物颗粒含量高低的影响也较为显著。通常来讲,岩石硬度越高,其耐磨效果越好,悬臂掘进机掘进过程中截齿的磨损更大,掘进效率更低。

3)岩体结构面发育程度(KV)。岩体结构面发育程度能够表征岩体的裂隙化程度或岩体的完整程度,它也是影响悬臂掘进机施工效率的重要地质因素之一[9]。根据实际悬臂掘进机掘进速度与岩体完整程度之间的关系:当KV为0.55左右时,掘进速度最佳。KV过小会导致悬臂掘进机的掘进速度变慢。这是因为KV过小时,掘进施工结束后,围岩没有足够的时间自稳;当KV大于0.55时,KV越大,悬臂掘进机的掘进速度越快。因此,只有当KV取值位于合理范围内,才能保证施工结束后围岩在一定时间内自稳的前提下,尽量提高掘进速度。以KV为指标划分悬臂掘进机利用率,结果见表4。

表4 岩体结构面发育程度适应性分值

4)岩体基本质量指标(BQ)。岩体基本质量指标(BQ)是影响悬臂掘进机施工效率的重要因素,其指标值在某一合适范围内,不仅能保证悬臂掘进机的工作效率,同时也能保证掘进后围岩的稳定性。由大量工程实践参数可知,BQ值在250～400时,施工效率最高。

5)其他因素。除上述总结的地质因素外,截齿磨损、巷道尺寸效应等对悬臂掘进机工作效率也存在一定的影响。

采用和差法对上述各指标的分值进行求和,以有效评估各指标对悬臂掘进机适应性分级的综合影响。悬臂掘进机地层适应性可以通过计算适应性总分值确定,并预测悬臂掘进机的利用率,具体分级结果见表5。

表5 适应性分级及悬臂掘进机利用率预测

3 悬臂掘进机可掘进性分级

在BQ分级理论的基础上,以巷道围岩分级为基础,综合考虑岩体-机械设备相互作用来评判悬臂掘进机的工作性能,以构建悬臂掘进机的可掘进性分级。工程上BQ值的计算主要考虑KV和RC值[10],计算公式[11]如下:

BQ=90+3RC+250KV

(1)

式(1)中,岩体结构面发育程度与单轴抗压强度的影响程度大致相当。为防止较大的RC值和KV值,提出限值公式:

1)当RC>90KV+30时,将RC=90KV+30和KV代入式(1)计算BQ值。

2)当KV>0.04RC+0.4时,将KV=0.04RC+0.4和RC代入式(1)计算BQ值。

3.1 构建分级体系BQ机模型

基于围岩稳定性建立的BQ分级模型,未充分考虑岩体-机械相互作用。在悬臂掘进机的围岩分级中,考虑岩体-机械相互作用是必要的。基于全断面掘进机围岩分级模型的基础,建立关于悬臂掘进机的围岩分级BQ机模型。

(2)

式中:P为掘进功率(W)。

由经验公式可得Q与BQ之间的关系,因此可以得到:

(3)

式中:P/RC为悬臂掘进机钻掘指数RPI。

考虑地质因素和施工等对BQ机模型进行微调。根据悬臂掘进机截齿寿命指数CLI相关理论,在CLI低于20时,截齿使用寿命急剧下降,因此利用该值对CLI归一化,作为影响因子代入式(3),得到考虑截齿磨损的修正后的BQ机模型为:

(4)

3.2 基于BQ机模型的可掘性分级

以玲珑金矿灵山矿区工程实际数据为背景,对修正后的BQ机模型与掘进速度、净掘进速度PR、前进速度AR间的相关性进行分析,建立悬臂掘进机开挖预测模型:

AR=PRtm

(5)

(6)

(7)

式中:AR为前进速度(m/h);PR为净掘进速度(m/h);t为总时间(24 h/d,168 h/周等)。

将式(4)代入式(6)中,得到:

(8)

通常情况下,岩石基本质量指标BQ机越小,钻掘指数越大,悬臂掘进机掘进则越为容易,截齿损耗也越小。而BQ机过小时,理论上的PR虽然很大,但岩石的自立时间变较短,必须及时采取一定的支护措施,减少悬臂掘进机使用,使实际前进速度大幅下降。根据岩体钻掘难度和岩体自立时间,对巷道围岩可掘进分级进行调整,具体见表6。