非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切技术应用研究.pdf

第 卷第期有色金属（矿山部分）年月犱 狅 犻：犼 犻 狊 狊 狀 非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切技术应用研究周光信，王振宇，赵健，郑志杰（新疆喀拉通克矿业有限责任公司，新疆 富蕴 ；矿冶科技集团有限公司，北京 ）摘要：采用钻爆法进行非煤矿山巷道掘进的过程中，往往会产生诸多安全隐患。随着机械装备的快速发展，非爆破机械采矿逐渐成为非煤矿山开采的主流研究方向。为解决某矿山下向进路充填采矿时，首采层采场回采难度大、回采周期长、支护难度高和作业安全性差等问题，提出非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切的技术思路。首先，通过数值模拟的方式进行机械钻进静态裂切孔网参数优化，确定裂切孔网方案，然后进行现场试验检验技术效果。结果表明，非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切技术应用良好，能够切实解决矿山面临的生产难题。关键词：非爆破；机械钻进；静力膨胀裂切；数值模拟；参数优化中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犛 狋 狌 犱 狔狅 狀狋 犺 犲犪 狆 狆 犾 犻 犮 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳狀 狅 狀 犫 犾 犪 狊 狋 犻 狀 犵犿 犲 犮 犺 犪 狀 犻 犮 犪 犾 犱 狉 犻 犾 犾 犻 狀 犵犮 狅 犿 犫 犻 狀 犲 犱狑 犻 狋 犺狊 狋 犪 狋 犻 犮犲 狓 狆 犪 狀 狊 犻 狅 狀犳 狉 犪 犮 狋 狌 狉 犻 狀 犵 狋 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔 ，（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；收稿日期：作者简介：周光信（），男，工程师，主要从事矿山地下采矿工艺、通风方面的研究。目前，钻爆法仍广泛应用于非煤矿山的巷道掘进过程中，但是爆破往往会伴随着飞石、岩体振动、高压气浪和巷道超挖等问题，同时爆破产生的有害气体与绿色环保矿山的发展方向相悖。近年来，随着机械装备的快速发展，非爆机械采矿逐渐成为非煤矿山开采的主流研究方向 。其中，钻孔劈裂法充分利用了岩石抗拉强度远低于抗压强度的特点，通过先在岩石中钻孔，然后对孔壁施加静力载荷，进而破碎岩石。与钻爆法相比，钻孔劈裂法的可控性高，不仅可以降低开挖过程中对围岩的扰动，还可以减小超挖范围；同时避免了钻爆法带来的其他有害效应。此外，由于钻孔劈裂破岩法的能量利用率和破岩效率较高，尤其适用于坚硬岩石的开挖。孔内柱塞劈裂器 是一种新型劈岩设备，通常由液压泵站、液压油管和劈裂棒组成。其工作原理是，将劈裂棒安装在钻孔内，由液压泵站向劈裂棒提供液压油，驱动劈裂棒中的多个柱塞伸出直接对有色金属（矿山部分）第 卷孔壁产生作用力，当所产生的劈裂力大于破岩所需作用力时，岩体破裂向自由面方向分离。综上，针对某矿山下向进路充填采矿时，首采层采场回采难度大、回采周期长、支护难度高和作业安全性差等问题，提出非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切的技术思路，从根本上消除矿山爆破危害及安全隐患，减少下向采矿首采层回采时间，同时将大幅提高机械化开采水平。工程背景喀拉通 克 铜 镍 矿 位 于 新 疆 乌 鲁 木 齐 以 北 约 处，铜镍矿脉由个矿床组成，其最大深度约为 ，地表高程约为 。、矿床的采矿方法主要为向下充填法，矿床采用分段空场嗣后充填法。矿体单轴抗压强度约为 ，围岩单轴抗压强度为 。由于岩石硬度较高，悬臂式掘进机在喀拉通克铜镍矿应用的可行性较低。因此，采用非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切的技术进行巷道掘进。首先，依据初始断面形状布设周边孔，利用冲击式水磨钻机将裂缝切出，产生自由面。然后，在初始断面区域内布设裂切孔，将机械液压劈裂棒放入劈裂孔中，随着劈裂棒活塞进程的不断增加，作用在劈裂孔围岩上的压力不断提高，岩体中的微裂纹也越来越多。当压力达到一定临界值时，劈裂孔附近的岩体发生断裂，然后出现新的自由面，用于下一个压裂开挖周期。为实现机械钻进联合静力膨胀裂切技术，应用到的机械装备主要为硬岩水磨钻机与机械液压劈裂棒。具体外形与参数见表和表。表硬岩水磨钻机型号与主要参数犜 犪 犫 犾 犲犕 狅 犱 犲 犾 狊犪 狀 犱犿 犪 犻 狀狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳犺 犪 狉 犱狉 狅 犮 犽犺 狔 犱 狉 犪 狌 犾 犻 犮犵 狉 犻 狀 犱 犻 狀 犵犱 狉 犻 犾 犾指标名称参数设备图示钻孔直径 钻孔深度 整机重量 外形尺寸 电机功率 供电电压 表犉 犚 劈裂棒型号与主要参数犜 犪 犫 犾 犲犕 狅 犱 犲 犾 狊犪 狀 犱犿 犪 犻 狀狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳犉 犚 狊 狆 犾 犻 狋 狋 犻 狀 犵狉 狅 犱指标名称参数劈裂棒图示劈裂棒数量个活塞数个适用孔径 适用孔深 棒距 距自由面 供电电压 液压油抗磨液压油第期周光信等：非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切技术应用研究 机械钻进静态裂切孔网参数优化 数值模拟方案主要利用数值模拟软件 分析裂切孔的致裂效果，优化裂切孔网参数，为现场静态裂切掘进施工工艺设计提供参考。图是裂切掘进巷道的数值模型，模型整体尺寸为 （犡犢犣），掘进巷道的尺寸为 （图中青色区域），巷道左侧由气囊形成的预留补偿空间的尺寸为 （图中部橙色区域）。由颗粒单元组成的围岩体尺寸为 （图中绿色区域），颗粒单元体外围是由连续元单元体组成围岩作为颗粒岩体的外部围岩体。数值模型共计有约万个泰森多边形（）颗粒（）和约万个长方体单元体（），颗粒与单元体之间通过 单元连接，颗粒和单元体的最小尺寸约为。单元体围岩的本构模型为理想弹性模型，在模拟过程中不考虑单元体围岩的破坏，单元体（）围岩的弹性模量为 ，泊松比为 ，密度 。颗粒（）岩体的接触本构模型为软化黏结模型（），颗粒的密度与单元体一致，为 ，颗粒接触模型的有效变 形 模 量 为 ，刚 度 比 为 ，摩擦 因 数为 ；接 触 模 型 的 抗 拉 强 度 为，黏 聚 力 为 ，摩擦角为 。图静态裂切掘进巷道数值模型犉 犻 犵 犖 狌 犿 犲 狉 犻 犮 犪 犾犿 狅 犱 犲 犾 狅 犳 狊 狋 犪 狋 犻 犮 狊 狆 犾 犻 狋 犮 狌 狋 狋 犻 狀 犵狉 狅 犪 犱 狑 犪 狔根据喀拉通克矿掘进巷道的地质资料可知，巷道埋深约为 ，同时，假设巷道围岩体的侧向应力系数为 。巷道顶部巷道数值模型的初始应力平衡后，首先删除气囊位置处的颗粒单元和裂切钻孔内的颗粒单元，求解后得到静态裂切施工之前的模型，即具有自由空间的巷道模型，其中钻孔的直径为 。然后在钻孔内利用 单元建立劈裂棒柱塞，柱塞的直径为 ，对柱塞施加朝向气囊空间自由面的水平速度，从而实现对巷道内岩体的静态裂切，为加快数值模拟计算速度，柱塞的伸出速度为，伸出长度为。静态裂切数值模拟的流程如图所示。静态裂切孔网模拟结果设计对比种静态裂切孔网参数，钻孔布置示意图如图所示。种裂切孔网均采用排间直列矩形布置，孔网布置方案仅考虑裂切孔的直接劈图静态裂切数值模拟方案犉 犻 犵 犛 狋 犪 狋 犻 犮 狊 犾 犻 狋 狋 犲 狉狀 狌 犿 犲 狉 犻 犮 犪 犾 狊 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犻 狅 狀狊 犮 犺 犲 犿 犲裂作用，不考虑裂切过程中施工的辅助导向钻孔对劈裂效果的影响，劈裂顺序为每一排同时劈裂。方案为 排距方案，每排个裂切点，点间距 ，共排 个钻孔；方案为 排有色金属（矿山部分）第 卷距方案，每排个裂切点，点间距 ，共排个钻孔。种裂切孔网方案主要对比研究裂切孔网是否能够劈裂岩体形成设计的巷道断面，以及劈裂过程中各个裂切孔柱塞的最大劈裂力。孔网裂切掘进巷道时，种布孔方案劈裂形成的巷道断面特性对比如图所示，劈裂过程中劈裂棒劈裂力的演化形式如图所示。图静态裂切布孔方案犉 犻 犵 犛 狋 犪 狋 犻 犮 狊 狆 犾 犻 狋 狋 犻 狀 犵犪 狀 犱犮 狌 狋 狋 犻 狀 犵犺 狅 犾 犲 狊图孔网裂切劈裂形成的巷道断面犉 犻 犵 犚 狅 犪 犱 狑 犪 狔 狊 犲 犮 狋 犻 狅 狀犳 狅 狉 犿 犲 犱犫 狔犺 狅 犾 犲犿 犲 狊 犺狊 狆 犾 犻 狋 狋 犻 狀 犵图孔网裂切劈裂棒柱塞劈裂力犉 犻 犵 犛 狆 犾 犻 狋 狋 犻 狀 犵 犳 狅 狉 犮 犲狅 犳 狋 犺 犲犿 犲 狊 犺狊 狆 犾 犻 狋 狋 犻 狀 犵狉 狅 犱狆 犾 狌 狀 犵 犲 狉第期周光信等：非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切技术应用研究图表明，种排距孔网的裂切方案均能劈裂形成边长为 的正方形巷道断面，并且在顶底板均存在 超挖，底板 超挖 量 大于 顶板 的 超 挖 量，排距孔网布孔方案得到的巷道断面超挖量略大于 排距方案，且超挖岩体主要集中在第排裂切孔区域内。此外，在最后一排钻孔劈裂后，种方案得到的巷道断面在裂切孔右侧和顶底板肩角处均存在欠挖，其中裂切孔右侧巷道边帮的欠挖量较小，为 左右，接近于裂切孔的半径值，顶底板肩角的欠挖量约为 。图表明，种不同排距裂切孔网方案的劈裂力普遍在 ，其中方案（排距）第排靠近底板的裂切孔所需的最大劈裂力为，略大于劈裂棒的额定劈裂力。对比种方案 排裂切孔劈裂棒的劈裂力演化可知，排距较小的方案在柱塞 行程范围内，劈裂力均达到峰值，随后逐渐较小或保持不变。而在排距较大的方案中，大部分劈裂棒的劈裂力在柱塞最大行程时仍在持续增加，一方面充分利用了劈裂棒的额定劈裂力，但是，另一方面，劈裂形成的裂隙在柱塞行程较大时才逐渐全部扩展贯穿至自由面，即开挖巷道岩体在劈裂棒柱塞伸出长度较大时才产生有效破裂，存在裂切失败的风险。合适孔网方案的选择应充分考虑裂切掘进巷道断面的尺寸，巷道及围岩体的力学性质及应力环境，裂切孔及导向孔的施工数量，裂切次数，裂切掘进的超挖及欠挖情况，以及裂切所需的最大劈裂力，综合种孔网方案的劈裂特性的数值模拟结果，建议选用孔网排距为 的方案。现场试验 机械钻进静态裂切布孔方案设计 水平硐室设计尺寸宽，高，采用四分之一三心拱断面。根据水磨钻机钻孔直径，断面设计约 个周边孔，个裂切孔，共计 个水磨钻孔，见图。机械钻进静态裂切施工工序设计非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切技术整个工图 犿水平试验区域平面图犉 犻 犵 犘 犾 犪 狀狅 犳 狋 犺 犲 犿犺 狅 狉 犻 狕 狅 狀 狋 犪 犾 狋 犲 狊 狋 犪 狉 犲 犪图施工断面设计图犉 犻 犵 犆 狅 狀 狊 狋 狉 狌 犮 狋 犻 狅 狀狊 犲 犮 狋 犻 狅 狀犱 犲 狊 犻 犵 狀序包括钻机钻孔切缝、安装劈裂棒、静态侧向裂切、落矿清理、二次破碎、集中出矿，重复上述步骤完成整个掘进断面掘进。机械钻进静态裂切现场试验情况试验效果如图所示，钻孔数量为周边孔 个，劈裂孔 个，整体上断面形状良好，掘进效率为每循环进尺 。根据现场实测数据，进行满孔钻孔（劈裂孔以及周边孔 首 个 钻 孔）钻 进时，平 均 每 个 所 需 时 间 为 。进行连续钻孔（连着上个孔继续钻进，非满孔）钻进时，平均每个所需时间为 。每个劈裂孔都需要进行劈裂棒装卸和静力裂切，一套完整工序平均所需时间为 。有色金属（矿山部分）第 卷图现场试验情况图犉 犻 犵 犉 犻 犲 犾 犱狋 犲 狊 狋犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿 结论）利用 建立静态裂切掘进巷道数值模型，分析不同边距条件下，单孔静态裂切的劈裂特性。结果表明，劈裂过程中岩体产生的裂隙主要为拉伸破坏形成的裂隙，单孔边距小于极限边距时，岩体中的裂隙能够贯穿至自由面，随着边距的逐渐增加，破裂岩体及裂隙范围的面积也逐渐增加。但当单孔边距超过极限边距时，劈裂形成的岩体裂隙无法扩展至自由面，存在裂切掘进失败的风险。综合考虑裂切孔施工数量和充分利用劈裂棒额定劈裂力，合理的裂切孔边距为 。）建立种孔网裂切布孔方案，对比排距为 和 时孔网的劈裂特性。结果表明，种孔网布孔方案均能劈裂形成设计的巷道断面，实现静态裂切掘进。综合分析裂切孔劈裂棒所需的最大劈裂力以及劈裂力随柱塞行程的演化规律，建议选用排距 的孔网布孔方案。）现场试验效果良好，但切缝后的断面边界线与设计断面形态具有一定差别，可补充控制点以保证施工断面形态。针对断面形态要求不高的情况，为了尽量提高施工效率，可以适当减少切缝孔数量，充分利用劈裂实现破岩，最后利用硬岩水磨钻机控制断面成型质量。参考文献王少锋，孙立成，周子龙，等非爆破岩理论和技术发展与展望中国有色金属学报，（）：，（）：尹从富，杨译，申荣光，等非爆破破岩方法综述中国科技信息，（）：，（）：何方液压劈裂技术在隧道静态破碎开挖中的应用矿产与地质，（）：，（）：刘金广非爆破破岩技术在矿山生产中的应用探索煤炭与第期周光信等：非爆破机械钻进联合静力膨胀裂切技术应用研究化工，（）：，（）：王泗代非爆破破岩工艺在国外的应用有色金属设计，（）：，（）：，陈宝心，刘海卫，刘伟，等钻孔劈裂器破岩技术及其应用采矿技术，（）：，（）：贾海军，祁海莹，唐述明，等气动便携式矿山救援裂石机的设计矿业安全与环保，（）：，（）：康兰方，冀玉豪，王琳，等复杂环境下引水隧洞控制爆破与液压劈裂 破 岩 技 术 研 究 中 原 工 学 院 学 报，（）：，（）：范纯超，孙扬，黄丹，等极破碎不稳固难采矿体悬臂式掘进机机械落矿试验研究有色金属（矿山部分），（）：，（），（）：潘景升，闻德生，吕世君，等液压劈裂机在铁矿开采中的应用机械工程师，（）：，（）：李金龙开采贵金属薄矿脉的新方法：劈岩机无爆破采矿新工艺研究北京矿冶研究总院学报，（）：，（）：范 恩 荣新 型 静 液 压 破 岩 方 法 初 探 矿 山 机 械，（）：，（）：刘海卫钻孔劈裂器破岩机理的数值模拟研究武汉：武汉理工大学，：，（上接第 页）张东杰，拓明轩，刘树新，等急倾斜中厚破碎矿体空场嗣后充填安全开采技术研究金属矿山，（）：，（）：夏建波，林友，林吉飞，等梁花阱铜矿急倾斜中厚矿体开采工艺研究金属矿山，（）：，（）：童大志，朱根鹏，任国顺，等红岭铅锌矿南西翼残留急倾斜薄矿体采矿方法优选及应用黄金，（）：，（）：赵兴东，黄雪松，关强兵，等后退式落矿干式充填采矿法在三道桥铅锌矿的实践采矿技术，（）：，（）：赵林海，李宗利，张磊，等二里河铅锌矿采矿方法的综合利用现代矿业，（）：，（）：曹学勇，朱根鹏，曲展鹏，等无底柱浅孔留矿采矿法在红岭铅锌矿的应用黄金，（）：，（）：李阳松，周礼阿尔登铅锌矿采矿方法优化研究有色金属：矿山部分，（）：，（），（）：，