硬岩下山巷道快速掘进技术措施研究.pdf

第3 2 卷第3 期 2 0 1 2 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G D 唾冠R 矾G V O I ．3 2 №3 J u n e2 0 1 2 硬岩下山巷道快速掘进技术措施研究① 李廷春1 ，刘洪强1 ，张亮2 1 ．山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东青岛2 6 6 5 9 0 ；2 ．天津市高速公路管理处，天津3 0 0 2 4 0 摘要分析了制约巷道快速掘进的影响因索，提出了提高下山巷道掘进速度的技术措施。在爆破技术方面，通过改善掏槽形式、 增设抛渣辅助眼、采用新型周边眼定向聚能断裂爆破技术等爆破技术措施，增加进尺、保证成型；在施工配套设备方面，通过采用耙 装机 斜巷输送带 可兼作运料 矸石仓机械化作业线，提高施工速度、减小劳动强度；在施工组织方面，通过采用多工序平行交 叉作业方式、抓好正规循环作业等施工组织管理措施，保证各工序有序进行。在华恒矿一l0 0 0m 水平副暗斜井某施工段．在岩石 硬度较大的情况下，通过应用上述措施，月进尺提高了3 5 ％以上，证明了该技术提高硬岩下山巷道掘进速度的有效性。 关键词下山硬岩巷道；快速掘进；爆破技术；机械化作业线；施工组织 中图分类号1 1 D 1 2 6 3文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 3 - 0 0 0 9 0 5 S t u d yo nT e c h n i c a lM e a s u r e sf o rR a p i dA d v a n c e m e n to f H a r dR o c kD i pR o a d w a y L IT i n g e h u n l ，L I UH o n g q i a n 9 1 ，Z H A N GL i a n 9 2 1 ．S h a n d o n gP r o v i n c i a lK e yL a b o r a t o r yo fC i v i lE n g i n e e r i n gD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dM i t i g a t i o n ，S h a n d o n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，Q 舳2 6 6 5 9 0 ，S h a n d o n g ，C h i n a ；2 ．T i a n j i nE x p r e s s w a yA d m i n i s t r a t i o nD e p a r t m e n t ，嘞，蜘 3 0 0 2 4 0 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ei n f l u e n c ef a c t o r sf o rr o a d w a ya d v a n c e m e n t ，s e v e r a lt e c h n i c a ln l e a s u r e sf o r i n c r e a s i n ga d v a n c i n gs p e e dw e r ep r o p o s e d ．T h o s eb l a s t i n gt e c h n i q u e s ，s u c ha si m p r o v i n gc u t t i n gf o r m ，s e t t i n gs p e c i a l a u x i l i a r yh o l e st Oi n c r e a s et h et h r o w nd i s t a n c eo ft h eb l a s t i n gf r a g m e n tp i e c e s ，a d o p t i n gn e w - t y p ed i r e c t i o n a lf r a c t u r e c o n t r o l l e db l a s t i n g ，C a l lb eu s e dt oi n c r e a s es i n g l ec y c l ef o o t a g ea n dr e d u c et h ed e g r e eo fe x c e s s i v eo ri n s u f f i c i e n te x c a - v a l i o no fd i pr o a d w a y ；w h i l ei nt e r m so fc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ，m e c h a n i z e do p e r a t i o nl i n ec o n s i s t i n go fs c r a p e rl o a d e r ， b e l tc o n v e y o rf o ri n c l i n e dr o a d w a ya n dh o r i z o n t a lr e f u s eb u n k e rC a l lb eu s e dt Oi m p r o v ec o n s t r u c t i o ns p e e da n dr e d u c e l a b o ri n t e n s i t y ．F u r t h e r m o r e ，t h ep a r a l l e l c r o s so p e r a t i o nm e t h o df o rm u l t i p l ew o r k i n gp r o c e d u r e sa d o p t e di nt h en o r m a l c y c l i co p e r a t i o nc a ne n a r ew o r kr u n n i n gi na l lo r d e r l ym a n l i e r ．A na p p l i c a t i o no fa b o v e m e n t i o n e dt h e o r ya n dm e a s u r e si n t h ee x c a v a t i o no fa u x i l i a r yb l i n ds l o p ea tt h el e v e lo fl0 0 0mi nH u a h c n gC o a lM i n es h o w e da3 5 ％i n c r e a s ei nt h es i n g l e c y c l ef o o t a g ep e rm o n t h ，p m v i n gt h i sm e t h o di se f f e c t i v ef o ri m p r o v i n gt h ea d v a n c i n gs p e e do fh a r d r o c kd i pr o a d w a y ． K e yw o r d s h a r dr o c kd i pr o a d w a y ；r a p i da d v a n c e m e n t ；b l a s t i n gt e c h n o l o g y ；m e c h a n i z e do p e r a t i o nl i n e ；c o n s t r u c t i o n o r g a n i z a t i o n 下山巷道是采煤的必要通道之一，提高下山巷道 掘进速度，对保证采煤的正常接续具有非常重要的意 义。但是，在普氏系数， 8 的硬岩下山巷道爆破掘进 中普遍存在3 个方面的问题①爆破技术落后，造成 炮眼利用率低、单次掘进进尺小、矸石堆积迎头、留底 现象严重、巷道成型差等问题；②旎工设备效率低下， 造成作业时间长，劳动强度大；③施工管理缺乏科学 性，制约了时间与空问、劳动力与施工设备的有机结 合。上述问题严重影响了下山巷道掘进速度，出现了 采掘矛盾突出等问题。根据我国在巷道掘进方面的工 艺技术发展水平，在今后一个比较长的时间内，施工依 然以常规的钻眼爆破为主。因此，立足先进爆破技术， 以增加进尺、保证成型；借助先进机械，提高施工速度 和减小劳动强度；通过科学施工组织管理方法，保证各 工序有序进行，对实现煤炭生产的接续性、高效性和节 约型具有非常重要的意义。 许多学者深入研究了煤矿巷道爆破技术、机械化 作业方式、施工管理等技术，并取得了诸多成果‘1 ‘17 ‘。 围绕爆破技术、机械化作业方式、施工管理等理论，在 立井和平巷施工中取得了很好的应用效果。从倾斜角 ①收稿日期2 0 1 I 1 2 1 3 基金项目山东省高等学校科技计划项目 J 0 9 L g O t 作者简介李廷春 1 9 6 8 一 ，男，山西朔州人，博士，副教授．主要从事裂睐岩体力学特性方面的研究工作。 万方数据 1 0 矿冶工程第3 2 卷 度方面看，下山巷道虽然介于立井和平巷之问，但是施 工方法和机械类似于平巷，所以，多年来下山掘进施工 一直沿用平巷的技术，出现了很多前文提到的问题。 而且迄今为止，很少有人研究这方面的课题。要解决 这些问题，仍需从下山巷道自身的特点出发，深入研究 更为高效的爆破技术、先进的机械化作业方式和科学 的施工管理方法。 1 下山掘进爆破技术的研究 爆破技术决定爆破效果，落后的爆破技术会严重 影响巷道下山掘进的速度。为提高下山掘进的爆破效 果，需要从掏槽爆破技术、辅助眼爆破技术和周边眼爆 破技术三个方面进行优化。 1 ．1 掏槽爆破技术的优化 由于下山巷道坡度较大、工作面狭小，岩石所受夹 制作用强，改善掏槽效果是提高巷道掘进效率的主要 手段之一。本文基于“裂槽、抛渣”思想，有机结合直 眼掏槽和斜眼掏槽各自优点，设计了含抛渣眼的楔形 掏槽方式，如图1 所示。即适当加大掏槽炮眼的倾角， 布置3 4 对倾斜掏槽炮眼，同时布置2 4 个直眼炮 眼，在其超深部分安置抛渣药包，适当封堵，保证其作 用效率，剩余部分为空眼，作为首爆装药斜眼的辅助自 由面和破碎岩石的补偿空间。也就是倾斜掏槽炮眼配 合空眼完成裂槽后，抛渣药包彻底将槽腔内的渣石抛 出，同时加深槽腔，为辅助眼的爆破提供较好的自 由面。 e 一9 _ 。 3 k 茂1 0 4 墨， 图1 含抛渣眼的楔形掏槽示意 1 掏槽眼炮眼的间距确定。含抛渣眼的楔形掏 槽炮眼间距可以基于岩石爆破破碎区理论和掏槽爆破 补偿空间理论，并结合楔形掏槽炮眼布置方法进行 确定。 2 掏槽眼的布置位置。平巷掘进时，由于掏槽部 分布置的炮眼比较多，加上多数采用斜眼掏槽，为了钻 眼的方便和避免爆破飞石的产生，掏槽眼一般布置在 巷道的下部。下山掘进时，在岩石硬度较小的情况下， 将掏槽眼的位置布置在巷道中下部，能有效避免爆破 飞石的产生。当岩石硬度较大时，为提高抛渣效果，一 方面可以水平方向打眼；另一方面可以将掏槽眼的位 置布置在巷道的中部或中上部，以便布置l 一2 排抛渣 辅助眼。 3 掏槽眼起爆顺序。除预裂爆破外，掏槽眼最先 起爆．且先起爆裂槽眼，再起爆抛渣眼及掏槽眼周围的 辅助掏槽眼。 1 ．2 辅助眼爆破技术的优化 辅助眼是爆破破岩的主要炮眼，辅助眼的破岩效 果直接影响爆破矸石块度；辅助眼的抛渣效果直接影 响底眼的爆破效果和扒矸效率。因此，一方面需要根 据最小抵抗线原理合理确定辅助眼间距，提高破岩效 果；另一方面还要减小打眼角度 打水平眼 ，提高抛 渣效果。 下山硬岩掘进时，由于掏槽眼布置在巷道的中部 或中上部，而且槽腔也是接近水平设置，预留了布置 1 ～2 排抛渣辅助眼的位置。除按常规设置掏槽眼、辅 助眼外，按照爆破矸石向最小抵抗线方向飞掷的爆破 原理，增加设置l ～2 排水平抛渣辅助眼。使得抛渣辅 助眼起爆后，将抛渣辅助眼上部的全部爆破矸石抛出 掘进迎头，同时减轻底眼爆破的负担，提高底眼的爆破 效率，杜绝留底现象发生。 1 ．3 周边眼爆破技术的优化 在岩巷施工中，已广泛采用光面爆破技术，但所需 周边眼数目较多。一方面由于钻眼劳动强度大，工人 操作不认真，炮眼平行度差，普遍存在超欠挖现象；另 一方面，打眼时间占用了1 ／3 左右的循环时间，直接影 响到下山岩巷掘进速度。定向聚能断裂爆破技术是通 过巷道周边眼使用聚能管或聚能药包，改变炸药爆轰 波的分布结构，有意识地抑制垂直于巷道轮廓线方向 的爆轰能量，从而达到控制爆轰波对巷道围岩的破坏， 以保证巷道成型。定向聚能断裂爆破技术的优越性， 主要表现在①巷道成型效果好，周边眼痕率高，超欠 挖少；②减少爆轰波对围岩的损伤，保护了围岩稳定； ③可加大周边眼的间距，减少周边眼的个数，缩短打 眼时间，提高掘进速度；④降低了材料消耗，工艺简 单，操作方便。因此，采用定向断裂爆破技术，对提高 下山巷道掘进质量和速度具有非常重要的意义。 2 机械化作业线配套方式研究 积极研究先进施工设备，采用机械化作业线，对实 现快速掘进有不可忽视的促进作用。我国通过多年的 科研和施工实践，基于钻爆法，形成了多种形式的岩巷 掘进机械配套作业线。主要有4 种配套方式，即气腿 凿岩机配耙斗装岩机配矿车运矸、气腿凿岩机配耙斗 装岩机配皮带转载机、气腿凿岩机配挖斗式装岩机配 万方数据 第3 期李廷春等硬岩下山巷道快速掘进技术措施研究 皮带转载机、全液压钻车配侧卸装岩机配皮带转载 机‘14 | 。 由于侧卸装岩机只适用于小坡度大断面斜井装 岩，凿岩台车使用时需要增加辅助作业工时，难以实现 钻装工序的平行作业，所以目前下山掘进实际施工中 主要应用的机械化作业线有①人工装矸 刮板 皮 带出矸。该作业线所需作业空间小，但人工强度大，主 要适用于下山巷道开口处和高瓦斯煤矿。②耙矸机 矿车 轨道 调车盘 充电电瓶车。该作业线设备 占用空间小，但坡道运输，安全度低，主要适用于坡度 比较小，且开挖距离比较短的下山巷道。③耙装机 斜巷输送带 可兼作运料 矸石仓。该作业线是一 种安装使用大倾角带式输送机，配立式矸石仓，工作面 使用大功率耙装机，实现工作面矸石连续运输的机械 化配套方式。这种作业方式具有诸多优点，主要表现 在耙斗式装岩机，设备构造简单、易操作、井下维修方 便、造价低；皮带运输一方面可连续出碴，出碴效率高， 另一方面能大量减少轨道斜坡运输，避免推车、矿车掉 道事故的发生，减少工人劳动强度；各工序作业平行程 度高、循环时间短、劳动组织灵活、施工速度快；耙斗式 装岩机前方可存储1 - 2 个循环矸石量，矸石仓可存储 2 ～3 个掘进工作面爆破矸石，在矿车供应不及时的情 况下，保证工作面矸石排净，实现工作面连续作业。 因此，对于坡度比较大，掘进距离比较长的下山岩 巷，应积极推广使用耙装机 斜巷输送带 可兼作运 料 矸石仓机械化作业线，并在气腿凿岩机、耙斗装 载机的基础上，积极组织机械化配套，使凿岩、装载、转 载、照明、支护和安全通风达到合理配套。 3 科学施工组织方法研究 在下山巷道爆破掘进中，由于工人劳动场所地小 人多，现场工作秩序难以控制；且底板倾斜，耙装机、运 输设备固定困难，易发生滚石现象，严重影响了施工的 速度和安全性。因此，为达到快速、优质和安全的施工 要求，除应用先进爆破施工技术及合理选择配套设备 外，还应采用科学的施工组织与先进的施工管理方法， 以保证施工有序、安全地进行。施工组织管理包括的 方面很多，除提高劳动者的基本素质、实行工种岗位 制、采用综合掘进队和合理编制循环图表等外，为了加 快施工速度，还需要做好以下两点 1 推广使用多工序平行交叉作业。所谓多工序平 行交叉作业，是指在同一工作面、同一循环时间内，凡是 能同时施工的工序都要尽量安排同时进行，即平行作 业，不能同时施工的工序也可以使其部分同时进行，即 交叉作业。在目前我国下山巷道施工机械化水平和设 备生产率不高的情况下，为实现正规循环作业，提高掘 进速度和工效，应尽量采用多工序平行交叉作业。 在多工序平行交叉作业中，首先要最大限度的使 占用循环时间最多的钻眼、装岩和永久支护等主要工 序实现平行作业；其次应尽量使除放炮排烟外的其他 工序与主要工序平行交叉作业。根据一些快速施工的 经验，可实现平行交叉作业的工序有①交接班与工 作面安全质量检查平行作业；②测中线、腰线、点炮眼 与准备凿岩、敷设风水管路平行作业；③用耙斗机装 岩时，装前面岩，除操作人员，其余可吃饭、休息，装后 边岩与打眼平行作业；④清扫炮眼、装药与搬离、保护 设备和工具平行作业；⑤凿岩、装岩与永久支护可以 部分平行作业；⑥移耙斗装岩机与接长风管路平行作 业；⑦砌水沟与铺永久轨道平行作业。 2 抓好正规循环作业。正规循环作业，要求在规 定时间内取得预期的掘进进度并保证生产周而复始的 有序进行。实践证明，坚持正规循环作业，是提高掘进 效率的一项重要措施。抓好正规循环作业，必须确定 好循环作业时间、循环作业方式和日工作制度。 在下山巷道掘进施工中，各个工序都是按照一定 顺序周而复始进行的，如安全检查和准备工作一装岩 一打眼一装药联线一放炮通风一支护等。这些工序每 完成一次即完成一个循环，就可使工作面推进一段距 离，故称之为循环作业。完成一个掘进循环所需的时 间称为循环作业时间。 关于循环方式和日工作制度，下山巷道掘进通常 采用单循环和“三八”工作制。 4 下山硬岩巷道爆破掘进方案设计 4 ．1 工程概况 华恒矿一l0 0 0m 水平副暗斜井掘进是为尽快形 成一10 0 0i n 水平生产系统，满足运输、排矸、通风、行 人的需要。 4 ．1 ．1 现场试验条件 1 巷道断面尺寸。巷道净宽拱基线、墙中、墙脚 均为45 0 0m m ，左右帮对称；巷道净高腰线至拱顶 22 5 0m m ，腰线下l5 0 0m m ；巷道断面面积1 4 ．7m 2 ； 下山倾角1 8 。。 2 岩层岩性。岩层为深色辉长岩，岩石硬度较 大，坚固性系数， 8 9 。 3 炸药主要指标。使用二级煤矿许用小药卷水 胶炸药。性能爆力为1 8 0m L ，爆速为25 0 0m ／s ；规 格质量为3 0 0g ／个，直径为2 7m i l l ，长度为4 0 0m m ， 密度为0 ．9 5 ～1 ．2 5g ／c m 3 。 4 现场打眼直径为3 2m m 。 万方数据 1 2矿冶工程 第3 2 卷 4 ．1 ．2 下山掘进配套设备 1 打眼机具。采用7 6 6 5 型、Y I ’一2 8 型风钻打 眼。安装锚杆时使用Z M S 3 0 型风煤钻。 2 扒装方式。用P 一6 0 B 型耙斗式耙装机装岩， 扒装机尾轮固定在迎头高出岩堆8 0 0 一l0 0 0 咖以 上，尾轮用钩挂在固定楔上。扒装机距迎头最大距离 为3 5m 。 3 运输方式。采用扒装机扒装接吊挂皮带运输， 经一l0 0 0 绞车房通道、一10 0 0 水平皮带暗斜井上段 吊挂皮带将矸石灌入一10 0 0 水平1 。矸石仓，由运输工 区排矸。 4 ．2 劳动组织 劳动组织形式采用综合掘进队，施工队分为3 个 班，劳动组织配备见表l 。实行三八制作业，每班独立 完成打眼放炮和排矸支护一个循环，正规循环图表见 表2 。 表1 劳动组织配备表 裹2 正规循环图表 罐二斑魂 工牛 时衄 ∞l3l l， 1 5t 71 9】12， 交接班 ∞r a i n1 检童￡护 L 打错轩眠 安装错轩 1 打迎击眼【 1 葚木、 定段矗4 0a f l n L 旭后疆M1 5 r a i n、 墨水降尘1 0 r a i n 、 初嚷 2 0 删h l 机装、 同班同斑 初喷 加r a i nL 执装3 0 m 1 复喷3 0 r a i n L 捆 a o n t a t 风L 4 4 0 m ■ 作业方式方面，打眼采用巷道上下部分次打眼，一 次爆破的施工方法，即爆破后蹬虚矸找顶，打顶部锚杆 和打上部炮眼；然后用耙矸机耙清工作面，打墙部锚杆 和下部炮眼，同时在此过程中平行出矸。 每班循环进尺定为1 ．6I T I ，炮眼平均深度1 ．7m 。 这样一次循环进尺正为两排锚杆间距，且能保证一班 圆满完成一循环。 4 ．3 爆破设计方案 针对煤矿下山掘进中存在的问题，反向装药和采 用大直径药卷都能有效的提高下山掘进爆破效果。但 是该矿禁止使用反向装药，掘进、采煤等爆破也只有 蚴7 水胶炸药。为解决下山掘进爆破技术问题，只有 提高掏槽爆破效果和优化炮眼布置。因此，试验设计 出发点为①应用含抛渣眼的楔形掏槽方式，增强掏 槽眼的作用；②采用抛渣辅助眼和混合型辅助眼布置 方式，合理布置工作面炮眼；③基于定向聚能断裂爆 破原理，巷道两帮采用聚能管改变装药结构，减少炮眼 数目；④据“裂槽、抛渣”思想、抛渣辅助眼作用原理等 合理选择起爆顺序。 4 ．3 ．1 掏槽方式 为了获得较大的槽腔体积和较高的炮眼利用率， 掏槽方式采用含抛渣眼的楔形掏槽。现场岩石取样为 浅色辉长岩，根据破裂区半径公式计算足值为4 4 0 m m p l ，确定L 1 6 0 0m m ，L 2 3 0 0m m o 4 ．3 ．2 爆破参数选择 单位炸药消耗量q 由修正的普氏公式计算取 值pJ 。经计算q 1 ．8 7k g ／m 3 。考虑到封堵长度和爆 破安全，单位炸药消耗量取1 ．5 0k g ／m 3 。 炮眼数目Ⅳ可应用循环药量炮眼均分计算法确 定。经计算N 7 6 个。考虑到巷道断面形状，结合掏 槽眼、辅助眼和周边眼的布置原则，炮眼数目取7 3 个。 炮眼深度￡由掘进循环时间确定。取L 1 ．7 0m 。 4 ．3 ．3 炮眼布置和爆破图表的编制 炮眼布置和爆破图表如图2 和表3 所示。 皿窖竺竺竺竺兰- 图2 巷道断面炮眼布置图 万方数据 第3 期 李廷春等硬岩下山巷道快速掘进技术措施研究 1 3 裹3 爆破图表 4 ．4 应用效果与分析 1 爆破效果。爆破后测量掘进进尺1 ．6m ，周边 眼残眼5 0 一1 0 0m r i l 左右，达到了预期的掘进进尺；矸 石距离顶板的最小高度为1 ．8 0m ，达到了预期的抛渣 效果；掏槽眼没有明显的残眼，掏槽效果较好；矸石块 度均匀；爆破后迎头岩壁基本与巷道垂直；巷道成型较 好，无留底现象。 2 打眼时间1 0 0r a i n ，比下山快速掘进爆破技术 应用前节约3 0I I l i n ；排矸时问6 0r a i n ，节约2 0m i n 。 3 正规循环作业保证了掘进各工序有序完成。 5 结论 1 提出了下山快速掘进爆破技术措施，主要包 括采用以“裂槽、抛渣”新思想为基础的含抛渣眼的 楔形掏槽方式，并合理选择其布置方式；应用抛渣辅助 眼；采用定向聚能断裂爆破新技术等。试验应用过程 中，提高了掘进进尺，保证了巷道成型。 2 通过应用耙装机 斜巷输送带 可兼作运料 矸石仓机械化作业线，提高了施工速度，减小了劳动 强度。 3 提出了有针对性的施工组织管理方法，包括采 用多工序平行交叉作业和抓好正规循环作业等，保证 了下山巷道掘进各工序的有序进行。 4 形成的下山硬岩巷道快速掘进综合技术，使该 段下山掘进速度明显提高，月进尺提高了3 5 ％以上； 工人劳动强度降低；有效避免了施工事故的发生。 参考文献 [ 1 ] 藏俊，杨永琦．三角柱直眼掏槽爆破参数研究[ J 】．爆炸与冲 击，2 0 0 0 。2 0 4 3 6 4 3 6 8 ． 【2 ] 逢焕东，林从谋，刘同松．掏槽腔内的两相流动[ c ] ∥第七届工 程爆破学术会议沦文集，成都，2 0 0 1 1 0 5 1 1 0 ． [ 3 ] 林大能．平巷掏槽爆破空孔尺寸效应及围岩频繁震动损伤累积 特性研究[ D ] ．长沙中南大学资源与安全工程学院，2 0 0 6 ． 【4 ] 董方雇，姚玉煌，黄初，等．井巷设计与施工[ M ] ．徐州中国 矿业大学出版社．1 9 9 4 ． [ 5 ] 东兆星，邵鹏．傅鹤林．瀑破工程[ M 】．北京中国建筑工业 出版社，2 0 0 4 ． [ 6 ] 罗勇，沈兆武，崔晓荣．等．多点聚能切割爆破新技术[ J ] ．工 程爆破．2 0 0 6 ，1 2 2 I 一4 ． [ 7 ] L m l g e f o r sU 。K i h l s t o n nB ．R o c kB l a s t i n g [ M 】，N e wY o r k J o h nW i - 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