深井下山巷道快速掘进技术研究

刘 辉 孙立田 刘培海 秦忠诚 刘公君 李登月

(1.肥城矿业集团 杨营能源有限责任公司，山东 梁山272622；2.山东科技大学，山东 青岛266590)

0 工程概况

杨营煤矿3100 扩区下山为3300 采区3下煤层开采服务，开采范围为-750m～-1180m。其中3下煤层为一单斜煤层，埋藏较深，且有火成岩侵入，煤层产状稳定，煤层倾角17°左右，平均煤厚2.36m。基本顶为15.6m 厚粉砂岩、细砂岩、岩浆岩，直接顶为5.72m 厚中砂岩细砂岩，直接底为0.43m 厚泥岩，基本底12.26m 厚粉砂岩细砂岩。

该区瓦斯绝对涌出量为0.3m3/min，3下煤自燃倾向性等级为Ⅲ类，属不易自燃煤层，自然发火期为105d，无煤尘爆炸危险性。采区正常涌水量为130m3/h，最大涌水量为194m3/h，掘进期间需做好水文地质的物探工作，并对已探明的富水区实施钻探，进行有目的的疏放。

1 巷道快速掘进新技术

针对杨营煤矿3100 扩区下山倾角大、地应力高的特点，以及杨营煤矿具体的生产条件，提出了岩巷快速掘进机械化作业线配置、采用高应力坚硬围岩条件下的巷道快速钻爆技术，实现岩巷、半煤岩巷的快速掘进。

1.1 岩巷快速掘进机械化作业线配置

据实地考察，杨营煤矿现有的掘进面配置与深部复杂开采条件不能很好地适应，具有钻孔速度慢、扒装能力差，且扒装机移设速度慢、循环进尺小以及提升能力不足等特点。针对现有作业线的不足，因地制宜提出了机械化作业线：扒装机+皮带运输机+矸石仓作业线，充分发挥了机械化作业线最大效能，实现了大断面岩巷安全高效掘进。

1.2 钻爆新技术

随着开采深度的不断增加，巷道凿岩成孔和爆破的难度不断增加，呈现出钻孔效率低、爆破效果差、循环进尺小的现状，原有的掘进钻爆技术已不能满足生产需求，严重影响了巷道掘进速度。为此，杨营煤矿需借鉴国内外先进的钻爆新技术：

1.2.1 新型定向断裂成形控制技术

该技术采用岩石定向断裂爆破装置，如图1 所示。把圆柱形工业炸药卷装入内壁轴线方向有对称V 形突起1 的无毒塑料管2，药卷自身结构发生改变变为异形药包3，沿轴向被压制成聚能穴4。将该装置装入巷道岩体开挖轮廓线上的钻孔中，使聚能穴朝向炮孔连心面方向，炮孔与炮孔之间的距离为传统爆破方法的1.5～2.0 倍。爆破后，聚能穴处的爆轰产物向其对称轴线的方向集中，汇聚成速度和压力很高的射流，该高速高压射流直接作用到孔壁上，使对应于聚能穴方向的炮孔孔壁上形成优势裂缝，而后爆生气体迅速涌入裂缝，促进裂缝扩展，形成沿炮孔连心面的光滑断面。

图1 定向断裂爆破装置示意图

相比于传统的爆破技术，新型定向断裂成形控制技术减少了钻孔数量和炸药消耗，巷道成型质量好，有效减轻了劳动强度，提高了作业效率。

1.2.2 多向聚能爆破技术

该技术采用如图2 所示的多向聚能爆破装置，把圆柱形炸药药卷装入内壁带有5～8 个V 型突起1 的塑料管2，塑料管长度略大于装药长度，外径小于炮孔直径。药卷因受挤压作用而变为异形药包3，在V型突起部位形成聚能穴。装置引爆后，爆炸能量沿聚能穴方向产生汇聚，形成高速聚能射流作用到炮孔周围岩石上，使孔壁上预先形成多条具有扩展优势的径向裂纹，随后爆生气体迅速涌入裂纹，进一步推动裂纹扩展。而在聚能穴方向以外的其它方向上，塑料管对爆炸产物的阻碍作用和裂纹扩展的择优特性使原生裂隙的扩展受到抑制。同时，由于爆破装置使爆炸能量发生转化，部分能量用于射流侵彻作用，大大降低了爆炸冲击波对孔壁的冲击，因而可避免或减小压碎区的形成。

图2 多向聚能爆破装置

相比于传统爆破技术，多向聚能爆破技术可大大减少炮孔数量和装药量，减少一次起爆药量，避免发生爆破危害，减轻对保留岩体的扰动，提高爆破施工效率并减轻劳动强度。

1.2.3 高效复式掏槽技术

高效复式掏槽技术主要工艺流程如下：

（1）在巷道对称轴上按设计钻取双空掏槽眼；

（2）以空孔为对称中心，钻凿较浅的一阶楔形掏槽眼；

（3）在楔形掏槽形成的空腔为自由面，均匀布置大深度的二阶筒形掏槽。

复式掏槽技术结合上述多向聚能爆破技术，可充分利用空孔空间、楔形掏槽和筒形掏槽的各自优点，更易于形成新的可靠的自由面，可明显改善目前3100 扩区下山掏槽爆破效果。

1.2.4 中深孔光爆技术

在岩巷掘进中，增加炮眼深度，采用中深孔爆破技术，可以增加循环进尺，增加一次爆破岩石量，减少打眼装药等工序的辅助时间，有利于提高掘进速度和工效。

光面爆破是一种先进、科学的爆破方法，可使掘出的巷道轮廓平整光洁，便于采用锚喷支护，围岩裂隙少、稳定性高，超挖量小，是一种成本低、工效高、质量好的爆破方法。

2 巷道平衡支护技术

由于3100 扩区下山埋深较大，巷道围岩软岩特性十分明显，呈现出高应力、大变形、难支护的特点，传统的锚杆支护理论对此具有一定的局限性，且常规的锚网已经不能满足巷道支护要求。

预应力-让压平衡支护技术在预应力支护与高强锚杆的基础上，通过平衡巷道变形和围岩应力来控制巷道开挖后的原岩应力与位移，达到使支护结构与巷道位移及应力在合理范围内协同变化。对3100扩区下山的支护可起到明显的改善效果。

支护参数的合理与否是决定平衡支护成功与否的关键，3100 扩区回风下山采用斜矩形断面，荒宽B荒=4100mm，荒高H荒=2750mm，荒面积S荒=11.28m2； 净宽B净=3800mm，净高H净=2600mm，净面积S净=9.9m2，采用高强预应力锚网索支护，锚杆规格为Φ20×2400mm，间排距为900×900mm，配150×150×8mm 托盘，预紧力不低于40kN。在顶板锚杆之间布置锚索，规格为Φ17.8×6300mm，间排距1800×2700mm，配200×200×10mm 托盘，预紧力不低于100kN，支护方案如图3 所示。

图3 3100 扩区回风下山支护方案

采用FLAC3D数值模拟软件对3100 扩区回风下山的支护效果进行数值模拟，由数值分析可知：采用此支护方案，两帮的最大位移量为44mm，顶板下沉量达38mm，底板位移最大为11mm，能较好的控制巷道变形量，满足支护要求。

3 结论

3.1 针对上下山掘进生产特点及制约因素，结合杨营煤矿目前掘进生产装备特点，因地制宜地推广应用了机械化装运作业线，实现了大断面斜巷安全高效掘进。

3.2 根据杨营煤矿采用传统爆破方法爆破过程中存在的问题，有针对性的提出了巷道钻爆新技术，主要包括：新型定向断裂成形控制技术、多向聚能爆破技术、高效复式掏槽技术以及中深孔光爆技术。

3.3 针对3100 扩区下山高应力、难支护的特点，提出了预应力-平衡支护技术，采用预应力高强锚杆、锚索进行支护，成功地控制了巷道变形，为巷道的快速掘进提供了安全保障。

［1］任广学，邵鹏，蔚立元，杨大兵，范芝宇.多向聚能爆破爆破漏斗实验研究[J].工程爆破，2012，18(2):1-4.