非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法形成原因

隨著采礦業(yè)的發(fā)展和施工技術(shù)的不斷提高，鑿巖臺車越來越多地應(yīng)用于地下礦山的平巷掘進中。但截至2009年鑿巖臺車在地下礦山的應(yīng)用情況并不理想，主要表現(xiàn)在鑿巖臺車的單循環(huán)進尺小，炮孔利用率只有75%-85%，嚴重影響了鑿巖臺車效率的發(fā)揮。

《非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法》的工法特點是：

1.觀察作業(yè)面完整情況、用鑿巖臺車每孔純鑿巖時間判定圍巖的堅硬程度，從而判定該作業(yè)面屬難爆還是易爆，該方法簡單且操作性強，利于工人掌握。

2.針對難爆巖石炮效低的問題，應(yīng)用了創(chuàng)新的倒三角掏槽方法，既利于工人操作又提高了炮孔利用率，可大大縮短工期。

3.針對圍巖完整的作業(yè)面，應(yīng)用了光面爆破技術(shù)；針對圍巖破碎巷道成型難的作業(yè)面，應(yīng)用了預裂爆破技術(shù)。降低了爆破對巷道圍巖的破壞，減少了超挖量，降低了支護等級，節(jié)約了施工成本。

非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法適用范圍

《非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法》適用于非煤礦山建設(shè)，生產(chǎn)過程中利用鑿巖臺車進行開拓、采準、切割等平巷掘進施工。

非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法工藝原理

《非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法》的工藝原理敘述如下：

• 判定作業(yè)面可爆性原理

1.判定作業(yè)面巖體的完整性

根據(jù)《工程巖體分級標準》GB 50218-94，工程巖體的完整程度劃分見表1和表2。

對于表1中完整和較完整的作業(yè)面，該工法稱之為作業(yè)面完整；對于表1中較破碎和破碎的作業(yè)面，該工法稱之為作業(yè)面破碎。

2.判定作業(yè)面巖石的堅硬程度

將鑿巖臺車的軸推力設(shè)置為7.5兆帕，以孔深3.5米為例，如果每孔的純鑿巖時間大于等于140秒，該巖石屬“硬巖”；如果每孔純鑿巖時間小于140秒，該巖石屬“軟巖”。

3.確定作業(yè)面的可爆性

如果作業(yè)面完整，同時巖石屬“硬巖”，那么該作業(yè)面屬難爆作業(yè)面；否則，該作業(yè)面屬易爆作業(yè)面。

• 倒三角掏槽原理

1.選擇掏槽空孔數(shù)量

鑿巖臺車的鉆孔深度為3~3.5米，根據(jù)表3，擇2個空孔和3個空孔理論上均可。兩大空孔掏槽方式見圖1和圖2。

將圖1與圖2比較，倒三角掏槽的補償系數(shù)優(yōu)于兩大空孔掏槽。

另外掏槽方式中還有四空孔掏槽：一方面四空孔掏槽的補償系數(shù)小于倒三角掏槽；另一方面四空孔多了一個大空孔，使鑿巖時間變長，增加鉆頭的磨損，而且裝藥孔和四空孔之間容易發(fā)生穿孔現(xiàn)象。

綜上所述，掏槽空孔的最佳數(shù)量為3個。

2.確定1段裝藥孔孔距

鑿巖臺車平巷掘進中空孔的直徑為90毫米，裝藥孔的直徑為48毫米。如圖3所示，取1段裝藥孔與空孔的孔距為141毫米。

3.確定1段裝藥孔的位置

傳統(tǒng)的三空孔掏槽方式中，1段裝藥孔位于三個空孔三角形外面，補償系數(shù)小。而倒三角掏槽將1段裝藥孔移到三角形的內(nèi)部，一方面空孔補償系數(shù)大，另一方面爆破的力量從內(nèi)向外掏槽效果非常好。

• 巷道成型爆破原理

圍巖完整的作業(yè)面應(yīng)用光面爆破技術(shù)，對于圍巖破碎的作業(yè)面應(yīng)用預裂爆破技術(shù)。

1.光面爆破技術(shù)

光面爆破效果取決于兩方面：一方面是炮孔密集系數(shù)米，另一方面是爆炸能量。光面爆破要求炮孔間距小于抵抗線，即m<1，使應(yīng)力波在兩相鄰炮孔間的傳播距離小于應(yīng)力波至臨空面的傳播距離，可使反射拉伸波從最小抵抗線方向折回之前造成貫穿裂縫，隔斷反射拉伸波向圍巖傳播的可能，減少圍巖破壞。該工法采用的密集系數(shù)m=0.75~0.90，效果較好。

減小藥包直徑，減少裝藥量，采用低密度和低爆速的炸藥，以便控制炸藥爆炸能量及其作用，降低爆炸沖擊波的峰值壓力，削弱它在巖石中引起的應(yīng)力波強度，避免在炮孔周圍產(chǎn)生壓碎區(qū)，而使爆破作用集中到需要爆落的一側(cè)巖石上，減弱對原巖體的破壞作用。該工法采用中32毫米小直徑藥卷，空氣間隔裝藥。

2.預裂爆破技術(shù)

預裂爆破首先起爆周邊眼，在其他炮眼未爆破之前先沿著開挖輪廓線預裂爆破出一條用以反射爆破地震應(yīng)力波的裂縫。由于這個預裂面的存在，對后爆的掏槽眼、輔助眼的爆轟波能起反射和緩沖作用，減輕爆轟波對圍巖的破壞影響，保持巖體的完整性，使爆破后的開挖面整齊規(guī)則。與光面爆破相比，可適當增大裝藥量。

非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法施工工藝

《非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法》的施工工藝流程及操作要點敘述如下：

• 工藝流程

工藝流程見圖4。

• 操作要點

一、測量放線

在鑿巖臺車平巷掘進過程中，測量放線起著重要的作用。在工程開工之前，首先要校驗導線點：測量人員用全站儀采用測回法觀測，一個測回，一次對中，長度測量差不得大于邊長的1/3000，導線最大相對閉合差不超過13000。導線點校驗后，巷道開口和中心線用經(jīng)緯儀標定，巷道腰線用水準儀標定。巷道每掘進10米，測量人員標定一次巷道中心線和腰線。

二、清理作業(yè)面

鑿巖臺車進入作業(yè)面之前，施工人員首先檢撬頂板，確認安全后鑿巖臺車方可進入。鑿巖臺車進入后，首先用水清洗作業(yè)面，然后將作業(yè)面的浮碴清理，之后施工人員利用三角耙將巖碴耙走。經(jīng)過清理作業(yè)面，施工人員可畫孔位，鑿巖臺車可安全快捷、準確無誤地鉆孔。

三、在作業(yè)面上畫孔位

作業(yè)面炮孔類型分三種：掏槽孔、輔助孔和周邊孔。在這三種炮孔中，掏槽孔和周邊孔尤為重要，前者決定進尺，后者決定巷道成型。所以，在鑿巖臺車鉆孔前，必須將掏槽孔和周邊孔的孔位按照爆破設(shè)計點到作業(yè)面上。而輔助孔不需點到作業(yè)面上，由臺車工自己負責布置，這樣既不影響爆破效果，又可節(jié)省時間，提高施工效率。

四、判定作業(yè)面的可爆性

根據(jù)表1和表2，施工人員首先判定作業(yè)面的完整性。然后鑿巖臺車施工掏槽孔的三個空孔（空孔包括小孔施工和擴孔，在此只是完成小孔施工）和1段裝藥孔。通過這4個孔的施工，施工人員獲得每孔純鑿巖的平均時間t，如果t≥140秒，該巖石屬“硬巖”，否則屬“軟巖”。如果作業(yè)面完整，巖石屬“硬巖”，那么該作業(yè)面難爆，否則該作業(yè)面易爆。

五、鉆孔

1.炮孔深度：合理的炮孔深度有助于提高掘進速度和炮眼利用率，截至2009年，普遍存在加大孔深以減少作業(yè)循環(huán)次數(shù)的趨勢。掏槽孔、輔助孔和周邊孔的孔深相同，均為3.5米。該工法沒有將掏槽孔設(shè)計超深，在所有炮孔孔深相同的情況下，爆破后作業(yè)面平整，方便下一次鑿巖臺車鉆孔。

2.炮孔角度：掏槽孔和輔助孔均平行于巷道中心線并保持水平；頂眼向上傾斜2°，腰眼向外傾斜2°，底眼向下傾斜3°

3.鉆孔順序：鉆孔順序是按照炮孔的重要性制定的。首先鉆掏槽孔，之后是周邊孔，最后鉆輔助孔。

4.炮孔布置圖：巷道斷面以4.2米×3.7米為例，難爆作業(yè)面炮孔布置見圖5，易爆作業(yè)面炮孔布置見圖6，圖中1~7為鉆孔順序。

六、裝藥

1.裝藥系數(shù)（表4）

2.炸藥選擇（表5）

注：對于難爆作業(yè)面和易爆作業(yè)面炸藥選擇相同；水膠炸藥可用乳化炸藥代替。

3.裝藥方式（表6）

注：孔口采用炮泥填塞，如果沒有炮泥，可利用紙殼用水浸濕后填塞。

光面爆破和預裂爆破需將小藥卷炸藥、導爆索綁扎在竹竿上，竹竿長度3.5米，直徑不超過10毫米，竹竿提前在地面加工好。

七、連線、起爆

1.連線：將作業(yè)面所有炮孔內(nèi)的塑料導爆管分成兩組，左面一組，右面一組，每組在孔外再連接2發(fā)0段的塑料導爆管，這樣確保每發(fā)導爆管引爆的雷管數(shù)不超過20個。最后將4發(fā)0段的塑料導爆管與起爆雷管連接。在此過程中，起爆用的雷管與導爆管捆扎端的端頭距離不小于15厘米，并用膠布將雷管與導爆管均勻捆扎牢固。

2.起爆：使用導爆管擊發(fā)器引爆0段導爆管，0段導爆管引爆孔內(nèi)的導爆管，孔內(nèi)導爆管引爆炸藥。

八、通風

爆破后，開動11千瓦的軸流風機進行壓入式局部通風，結(jié)合主扇通風使炮煙盡快消散。

九、出碴

經(jīng)通風吹散炮煙、等待時間超過15分鐘，檢查確認井下空氣合格后，使用Toro301D出碴。

• 施工組織

采用連續(xù)工作制，每天3班，每班8小時。

施工人員（1個機組）：鑿巖臺車每臺班4個人，其中1個操作工、2個爆破工、1個輔助工。鏟車每臺班1個司機。操作工和輔助工負責清理作業(yè)面、鉆孔；爆破工負責領(lǐng)藥、裝藥、爆破。

施工設(shè)備（1個機組）：1臺鑿巖臺車配1臺Toro301D鏟運機。鑿巖臺車和鏟運機每月保養(yǎng)時間為2天。考慮設(shè)備故障及其他原因，每臺設(shè)備每月實際工作天數(shù)不低于24天。

對于獨頭作業(yè)面：每班確保1炮，并在當班完成出碴，每月掘進不少于200米。

對于多作業(yè)面：鑿巖臺車完成2炮掘進，鏟車完成2個作業(yè)面的出碴，每月掘進不少于400米。

《非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法》所用的材料及設(shè)備明細如下：

• 主要施工材料

主要施工材料見表7。

主要施工設(shè)備

主要施工設(shè)備見表8。

參考資料：

《非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法》的質(zhì)量控制要求如下：

• 質(zhì)量標準

鑿巖臺車平巷掘進的施工及驗收執(zhí)行《礦山井巷工程施工及驗收規(guī)范》GBJ 213-90，其允許偏差按表9執(zhí)行。

• 保證措施

1.建立該項目工程質(zhì)量責任制，在公司技術(shù)質(zhì)量部指導下負責各項質(zhì)量管理工作。

2.嚴格執(zhí)行設(shè)計標準和該工程招標文件所規(guī)定的施工技術(shù)標準，確保施工圖設(shè)計、施工組織設(shè)計的有效實施。

3.定期召開施工調(diào)度、質(zhì)量分析會議，負責質(zhì)量整改措施和糾正措施的實施，抓好施工過程控制，使施工質(zhì)量在受控狀態(tài)下進行。

4.巷道拱部、墻部控制爆破的炮孔嚴格按照設(shè)計布置，并用油漆畫點；藥卷與導爆索、竹竿綁扎牢固，間隔裝藥，藥卷均勻分布。

采用《非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法》施工時，除應(yīng)執(zhí)行國家、地方的各項安全施工的規(guī)定外，尚應(yīng)遵守注意下列事項：

1.堅決貫徹“安全第一，預防為主”的方針，以防為主，防管結(jié)合，專職管理和群眾管理相結(jié)合，做到精心組織、文明施工，杜絕死亡、重傷和一級非傷亡事故。

2.公司總經(jīng)理是安全管理的最高管理者，生產(chǎn)副總經(jīng)理作為最高管理者代表，部署項目部安全管理工作和任命安全管理專職人員。

3.項目部建立了完善的施工安全保證體系，明確了各級人員的安全責任。

4.貫徹落實安全生產(chǎn)、安全例會等規(guī)章制度，做好技術(shù)交底，詳細安全操作規(guī)程，加強三級安全教育。

5.爆破員持證上崗。

6.根據(jù)《礦山安全標志》GB 14161-2008，施工現(xiàn)場設(shè)立安全警示標識。

7.井下施工嚴格執(zhí)行《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》GB 16423-2006。

8.當鑿巖臺車去另一個工作面打眼時，原工作面設(shè)置良好的照明。

9.爆破作業(yè)與爆炸物品管理嚴格執(zhí)行《爆破安全規(guī)程》GB 6722-2003。

10.井下工作面所用炸藥、雷管應(yīng)分別存放在加鎖的專用爆破器材箱內(nèi)，每次起爆時將爆破器材箱放置于警戒線以外的安全地點。

11.在危險區(qū)邊界設(shè)置明顯標志，派出崗哨，發(fā)布“預警信號”、“起爆信號''和“解除警報信號”。

12.優(yōu)先采用有利于防止職業(yè)病和保護勞動者健康安全的新技術(shù)、新工藝、新材料，逐步替代危害員工健康安全的技術(shù)、工藝、材料及設(shè)備設(shè)施。

13.為所有員工參加工傷社會保險，為員工繳納保險費。

14.為及時準確處理施工生產(chǎn)中可能發(fā)生的事故和緊急情況，制定事故應(yīng)急救援預案，建立應(yīng)急準備與響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)應(yīng)急救援領(lǐng)導小組，在急救過程中采取“先人后物”的原則，依次進行。

《非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法》的環(huán)保措施如下：

1.成立施工現(xiàn)場環(huán)境管理領(lǐng)導小組，建立健全環(huán)境管理體系。

2.加強教育，讓員工自覺形成環(huán)保意識，最大限度地減少施工中的粉塵、噪聲和環(huán)境污染。

3.施工過程中產(chǎn)生的廢棄物應(yīng)及時分類清運，保持清潔。

4.優(yōu)先選用先進的環(huán)保炸藥，減少炸藥爆炸后產(chǎn)生的有害成分。

5.對重要的環(huán)境因素采取控制措施，措施落實到人，保證施工現(xiàn)場的良好氛圍。

《非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法》的效益分析是：

1.該公司通過對掘進掏槽技術(shù)和控制爆破技術(shù)的理論研究和現(xiàn)場試驗，成功地采用了創(chuàng)新的倒三角掏槽技術(shù)，解決了難爆作業(yè)面的掏槽進尺小、破碎工作面成型差的技術(shù)難題。

2.由于提高了炮孔利用率以及精心組織施工，單機組獨頭掘進月進尺不少于200米，單機組多作業(yè)面掘進月進尺不少于400米，使鑿巖臺車的效率得到了充分發(fā)揮，掘進臺效提高20%以上。

3.通過判定作業(yè)面的可爆性，不僅提高了掘進效率，而且降低了單位掘進量的炸藥消耗和設(shè)備、材料的損耗；通過應(yīng)用控制爆破技術(shù)，減少了超挖量，降低了支護工作量；由于施工效率的提高，減少了鑿巖臺車和人員的投入，從而降低了施工成本。

4.2001年11月，謙比西項目部創(chuàng)造單機平巷掘進每月447.1米的成績。

5.單位運用此工法的工程實例，僅就為建設(shè)單位早日投產(chǎn)的經(jīng)濟效益計算，已創(chuàng)造綜合經(jīng)濟效益1000余萬元，若計算該單位的設(shè)備、材料、人工成本的節(jié)約，創(chuàng)造的經(jīng)濟效益已達2000余萬元。

注：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

《非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法》的應(yīng)用實例如下：

• 實例1：中色建設(shè)非洲礦業(yè)有限公司贊比亞謙比西銅礦

公司于2001年1月中標承建了“贊比亞謙比西銅礦恢復生產(chǎn)建設(shè)——A標段工程”。2001年11月，公司以鑿巖臺車單機臺平巷月掘進447.1米的成績。該工程于2002年8月竣工。該工程采用鑿巖臺車掘進施工，應(yīng)用了易于工人掌握的判斷作業(yè)面可爆性方法、倒三角掏槽理論和巷道光爆成型技術(shù)。

• 實例2：昆鋼集團大紅山鐵礦

公司于2004年1月中標承建了昆鋼大紅山鐵礦III礦體30萬噸/年采礦工程的采切工程。2004年5月，在巖石硬度系數(shù)14、掘進斷面16~21平方米的多工作面平巷掘進中，取得了鑿巖臺車單機月進尺408.6米的成績。該工程于2006年12月竣工。該工程采用鑿巖臺車掘進施工，應(yīng)用了易于工人掌握的判斷作業(yè)面可爆性方法、倒三角掏槽理論和巷道光爆成型技術(shù)。

• 實例3：首云礦業(yè)股份有限公司首云鐵礦

首云礦業(yè)股份有限公司首云鐵礦三標段主回風井及-16米中段開拓工程于2006年10月中標承建，該工程為雙軌巷，全長1200米，巷道掘進斷面16.28平方米，總工程量19536立方米，設(shè)計采用噴射混凝土支護。

該工程采用鑿巖臺車掘進施工，應(yīng)用了易于工人掌握的判斷作業(yè)面可爆性方法、倒三角掏槽理論和巷道光爆成型技術(shù)，斷面控制成型好。經(jīng)精心組織，安全、高效地提前完成，比計劃工期提前了3個月。

2011年9月，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《關(guān)于公布2009-2010年度國家級工法的通知》建質(zhì)[2011]154號，《非煤礦山鑿臺車平巷快速掘進施工工法》被評定為2009-2010年度國家二級工法。 2100433B

采用聯(lián)合掘進機連續(xù)破碎巖石和出碴，一次形成巷道的機械化平巷特殊法掘進作業(yè)。與鉆爆法相比較，平巷掘進機掘進的優(yōu)點是：作業(yè)過程連續(xù)進行，掘進速度快，機械化程度高，勞動強度低，對圍巖破壞小，安全性高，周壁光滑，不超挖、欠挖、巷道質(zhì)量好。其缺點是： 機體龐大，掘進成本高，適應(yīng)性差，不能掘彎道，僅用于軟土地層和中硬巖層的掘進。

平巷掘進機械主要用于地下礦山、鐵路、公路和水利工程等的平巷掘進工程。平巷掘進機械按掘進工藝方法分為循環(huán)掘進式和連續(xù)掘進式機械。循環(huán)掘進式機械經(jīng)鉆孔、爆破、出碴、支護等工序多次循環(huán)完成巷道掘進，各工序使用不同的機械。鉆孔使用掘進鉆車、鉆裝車;爆破使用裝藥器和裝藥車;出碴使用鏟斗裝載機、蟹爪裝載機、立爪裝載機、耙斗裝載機、鏟插裝載機、振動裝載機和地下鏟運機、車箱式裝運機、儲槽振動裝運機;支護使用松石撬落機、架棚機、錨桿鉆裝車、錨索鉆裝車、混凝土噴射機、混凝土澆灌機、旋噴注漿機，以及管線架設(shè)機等。連續(xù)掘進式機械可同時進行破巖、出碴和支護作業(yè)，連續(xù)鉆進成巷，稱為平巷鉆進機。連續(xù)掘進式機械按破巖方式分為分斷面式和全斷面式的。分斷面式機械主要有截盤式、懸臂式、擺輪式和沖擊式四種。全斷面式機械主要有支撐式和盾構(gòu)式兩種。

總的發(fā)展趨勢是： 循環(huán)作業(yè)平巷掘進機械規(guī)格微型化和大型化，多功能化和自動化。連續(xù)作業(yè)平巷鉆進機小型化，提高對巖層的適應(yīng)性，擴大應(yīng)用范圍。

平巷特殊法掘進是指在軟弱、破碎、膨脹性或富含水的巖(土)層中掘進巷道，為提高翻進機械化程度、安全性和工程質(zhì)量所采用的各種特殊的平巷掘進方法。主要包括注漿法、平巷質(zhì)構(gòu)法掘進、平巷掘進機掘進和新奧法掘進等。它有別于傳統(tǒng)的鑿巖爆破施工方法，這些方法各有特點，各有不同的適用性 。

平巷掘進機掘進最早出現(xiàn)于19世紀50年代。限于當時的技術(shù)水平，難以解決切削刀具和驅(qū)動力等問題，所以一個世紀內(nèi)平巷掘進機停滯不前，未推廣應(yīng)用。20世紀30年代，蘇聯(lián)、美國開始致力于聯(lián)合掘進機的研制工作。60年代中期，中國開始研制和應(yīng)用平巷掘進機，先后設(shè)計制造了十多種掘進機，鉆進直徑為2.5～5.5m，并創(chuàng)造了月掘進250m（鉆進直徑為2.6m、巖石抗壓強度為121～246MPa）和日掘進20m（鉆進直徑為3.5m、巖石抗壓強度為116.8MPa）的紀錄。但在刃具材質(zhì)、元件性能、機械結(jié)構(gòu)和加工工藝、掘進定向、出碴和通風等方面仍存在許多問題，有待解決。