基于懸臂掘進(jìn)機(jī)性能的礦巖綜合分級(jí)方法

武茂超,萬 鵬,姚樹標(biāo)

(山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司)

引 言

在巷道開挖工程中,懸臂掘進(jìn)機(jī)憑借自身開挖擾動(dòng)小、精準(zhǔn)、污染小、工作效率高等優(yōu)點(diǎn),在礦山機(jī)械化開采中逐漸被廣泛應(yīng)用。但是,礦山工程地質(zhì)條件對(duì)懸臂掘進(jìn)機(jī)的適用性有一定的限制作用,同時(shí)懸臂掘進(jìn)機(jī)自身工作性能對(duì)開挖也有一定影響。因此,需研究考慮礦巖質(zhì)量及懸臂掘進(jìn)機(jī)工作性能的綜合分級(jí)方法。

此前多種圍巖分級(jí)方法主要是基于礦巖性質(zhì)、圍巖穩(wěn)定性等指標(biāo),如BQ分類法、RMR分級(jí)法、Q分類法等[1],采用該類分級(jí)方法取得了大量科研成果。郭亮等[2]通過對(duì)云南某磷礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察并開展礦巖物理力學(xué)試驗(yàn),依據(jù)RMR分級(jí)法對(duì)該礦山的巖體質(zhì)量和穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)定。王洋等[3]以金山店鐵礦為工程背景,通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn),綜合GSI圍巖分級(jí)系統(tǒng)等對(duì)圍巖進(jìn)行分級(jí),為采場(chǎng)穩(wěn)定性分析提供有力支持。然而,這些研究成果不能為礦山掘進(jìn)機(jī)機(jī)械化開采適應(yīng)性提供依據(jù)。為此,大量學(xué)者開展了相關(guān)研究。王祥等[4]以貴陽地鐵1號(hào)線為工程背景,研究懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中的圍巖分級(jí)方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道掘進(jìn)過程的準(zhǔn)確預(yù)測(cè),節(jié)約了施工成本,提高了工作效率。曹文貴等[5]在綜合考慮工程地質(zhì)、機(jī)械裝備等因素的基礎(chǔ)上,以瞬時(shí)掘進(jìn)速度為指標(biāo)進(jìn)行圍巖質(zhì)量分級(jí)和三級(jí)模糊評(píng)價(jià),豐富了巖體質(zhì)量分級(jí)理論。劉保鑫等[6]以TBM工作性能為切入點(diǎn)進(jìn)行了研究,總結(jié)TBM工作性能分布規(guī)律,建立了以TBM工作性能為巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的圍巖分級(jí)方法。趙克明[7]充分考慮巖體和設(shè)備的相互作用,提出了適用于臂式掘進(jìn)機(jī)的自適應(yīng)圍巖分類BQ機(jī)的概念。

本文以山東黃金礦業(yè)(玲瓏)有限公司(下稱“玲瓏金礦”)靈山礦區(qū)為研究背景,首先考慮采場(chǎng)礦巖結(jié)構(gòu)面的表面狀況及穩(wěn)定性。在綜合考慮懸臂掘進(jìn)機(jī)工作能力的基礎(chǔ)上,根據(jù)懸臂掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)分級(jí)給出了BQ機(jī)模型,建立可掘進(jìn)性分級(jí)指標(biāo),最后綜合考慮2種指標(biāo)評(píng)價(jià)方法,建立基于懸臂掘進(jìn)機(jī)性能的礦巖綜合分級(jí)方法,并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證,取得了較好的效果。

1 工程概況

玲瓏金礦靈山礦區(qū)礦體賦存于蝕變型斷裂帶中,礦區(qū)巖石以破碎的蝕變花崗巖、鉀化花崗巖和糜棱巖、絹英巖為主。根據(jù)采掘資料,在距離蝕變破裂帶上盤1～1.5 m的區(qū)域,斷層泥和糜棱巖較多,整體穩(wěn)定性較差,經(jīng)常發(fā)生坍塌現(xiàn)象[8]。

礦區(qū)選用XTR4/180懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī),相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 XTR4/180懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)參數(shù)

以開采現(xiàn)場(chǎng)情況為依據(jù),本次試驗(yàn)測(cè)定地點(diǎn)在玲瓏金礦靈山礦區(qū)-510 m水平-6勘探線—-9勘探線的分層巷道附近,選取6個(gè)區(qū)域綜合分析節(jié)理巖體表面狀況及圍巖穩(wěn)定性。用ShapeMetrix 3D系統(tǒng)對(duì)各節(jié)理面進(jìn)行掃描,將掃描得到的模型導(dǎo)入系統(tǒng)軟件中計(jì)算分析得到各區(qū)域節(jié)理面信息,結(jié)果見表2。

表2 節(jié)理面參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 懸臂掘進(jìn)機(jī)地層適應(yīng)性分級(jí)

工程地質(zhì)情況和懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度是巷道圍巖掘進(jìn)機(jī)適用性分級(jí)的主要分類標(biāo)準(zhǔn)。這種分類有助于明確懸臂掘進(jìn)機(jī)的適用范圍,提高施工效率,前人對(duì)巷道采用的圍巖分類方法并不科學(xué)準(zhǔn)確。因此,考慮巖石的單軸抗壓強(qiáng)度(RC)、巖石的硬度和耐磨性、巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度(KV)、巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)和其他因素的分級(jí)研究展開如下:

1)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度(RC)。懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)過程中受巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響較顯著。由于巖體的拉伸、剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度,懸臂掘進(jìn)機(jī)在設(shè)計(jì)中也充分考慮了該力學(xué)性質(zhì)。但是,巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之間存在一定的關(guān)聯(lián)性,所以懸臂掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)難易程度受巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響較為顯著。

由XTR4/180懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際截割性能可知:巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為40 MPa時(shí),懸臂掘進(jìn)機(jī)的切割性能最佳。巖石的RC<40 MPa時(shí),隨著巖石單軸抗壓強(qiáng)度的增大,懸臂掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度變快,但巖石單軸抗壓強(qiáng)度過低時(shí),則易降低掘進(jìn)效率;巖石的RC>40 MPa時(shí),較大的巖石單軸抗壓強(qiáng)度易造成懸臂掘進(jìn)機(jī)截齒的損耗,而更換懸臂掘進(jìn)機(jī)截齒的過程則降低了其掘進(jìn)速度。因此,合理的巖石單軸抗壓強(qiáng)度,不僅能夠加快掘進(jìn)速度,還能保障巷道掘進(jìn)結(jié)束后圍巖維持自穩(wěn)。以巖石單軸抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)劃分懸臂掘進(jìn)機(jī)利用率,結(jié)果見表3。

表3 巖石單軸抗壓強(qiáng)度適應(yīng)性分值

2)巖石的硬度和耐磨性。根據(jù)先前的研究成果及隧道工程的實(shí)際情況,施工過程中的截齒磨損對(duì)懸臂掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行成本影響較大。而懸臂掘進(jìn)機(jī)截齒的磨損不僅受巖石單軸抗壓強(qiáng)度的影響,而且受巖石內(nèi)部礦物顆粒含量高低的影響也較為顯著。通常來講,巖石硬度越高,其耐磨效果越好,懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中截齒的磨損更大,掘進(jìn)效率更低。

3)巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度(KV)。巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度能夠表征巖體的裂隙化程度或巖體的完整程度,它也是影響懸臂掘進(jìn)機(jī)施工效率的重要地質(zhì)因素之一[9]。根據(jù)實(shí)際懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度與巖體完整程度之間的關(guān)系:當(dāng)KV為0.55左右時(shí),掘進(jìn)速度最佳。KV過小會(huì)導(dǎo)致懸臂掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度變慢。這是因?yàn)镵V過小時(shí),掘進(jìn)施工結(jié)束后,圍巖沒有足夠的時(shí)間自穩(wěn);當(dāng)KV大于0.55時(shí),KV越大,懸臂掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度越快。因此,只有當(dāng)KV取值位于合理范圍內(nèi),才能保證施工結(jié)束后圍巖在一定時(shí)間內(nèi)自穩(wěn)的前提下,盡量提高掘進(jìn)速度。以KV為指標(biāo)劃分懸臂掘進(jìn)機(jī)利用率,結(jié)果見表4。

表4 巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度適應(yīng)性分值

4)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)。巖體基本質(zhì)量指標(biāo)(BQ)是影響懸臂掘進(jìn)機(jī)施工效率的重要因素,其指標(biāo)值在某一合適范圍內(nèi),不僅能保證懸臂掘進(jìn)機(jī)的工作效率,同時(shí)也能保證掘進(jìn)后圍巖的穩(wěn)定性。由大量工程實(shí)踐參數(shù)可知,BQ值在250～400時(shí),施工效率最高。

5)其他因素。除上述總結(jié)的地質(zhì)因素外,截齒磨損、巷道尺寸效應(yīng)等對(duì)懸臂掘進(jìn)機(jī)工作效率也存在一定的影響。

采用和差法對(duì)上述各指標(biāo)的分值進(jìn)行求和,以有效評(píng)估各指標(biāo)對(duì)懸臂掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)性分級(jí)的綜合影響。懸臂掘進(jìn)機(jī)地層適應(yīng)性可以通過計(jì)算適應(yīng)性總分值確定,并預(yù)測(cè)懸臂掘進(jìn)機(jī)的利用率,具體分級(jí)結(jié)果見表5。

表5 適應(yīng)性分級(jí)及懸臂掘進(jìn)機(jī)利用率預(yù)測(cè)

3 懸臂掘進(jìn)機(jī)可掘進(jìn)性分級(jí)

在BQ分級(jí)理論的基礎(chǔ)上,以巷道圍巖分級(jí)為基礎(chǔ),綜合考慮巖體-機(jī)械設(shè)備相互作用來評(píng)判懸臂掘進(jìn)機(jī)的工作性能,以構(gòu)建懸臂掘進(jìn)機(jī)的可掘進(jìn)性分級(jí)。工程上BQ值的計(jì)算主要考慮KV和RC值[10],計(jì)算公式[11]如下:

BQ=90+3RC+250KV

(1)

式(1)中,巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度與單軸抗壓強(qiáng)度的影響程度大致相當(dāng)。為防止較大的RC值和KV值,提出限值公式:

1)當(dāng)RC>90KV+30時(shí),將RC=90KV+30和KV代入式(1)計(jì)算BQ值。

2)當(dāng)KV>0.04RC+0.4時(shí),將KV=0.04RC+0.4和RC代入式(1)計(jì)算BQ值。

3.1 構(gòu)建分級(jí)體系BQ機(jī)模型

基于圍巖穩(wěn)定性建立的BQ分級(jí)模型,未充分考慮巖體-機(jī)械相互作用。在懸臂掘進(jìn)機(jī)的圍巖分級(jí)中,考慮巖體-機(jī)械相互作用是必要的?；谌珨嗝婢蜻M(jìn)機(jī)圍巖分級(jí)模型的基礎(chǔ),建立關(guān)于懸臂掘進(jìn)機(jī)的圍巖分級(jí)BQ機(jī)模型。

(2)

式中:P為掘進(jìn)功率(W)。

由經(jīng)驗(yàn)公式可得Q與BQ之間的關(guān)系,因此可以得到:

(3)

式中:P/RC為懸臂掘進(jìn)機(jī)鉆掘指數(shù)RPI。

考慮地質(zhì)因素和施工等對(duì)BQ機(jī)模型進(jìn)行微調(diào)。根據(jù)懸臂掘進(jìn)機(jī)截齒壽命指數(shù)CLI相關(guān)理論,在CLI低于20時(shí),截齒使用壽命急劇下降,因此利用該值對(duì)CLI歸一化,作為影響因子代入式(3),得到考慮截齒磨損的修正后的BQ機(jī)模型為:

(4)

3.2 基于BQ機(jī)模型的可掘性分級(jí)

以玲瓏金礦靈山礦區(qū)工程實(shí)際數(shù)據(jù)為背景,對(duì)修正后的BQ機(jī)模型與掘進(jìn)速度、凈掘進(jìn)速度PR、前進(jìn)速度AR間的相關(guān)性進(jìn)行分析,建立懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖預(yù)測(cè)模型:

AR=PRtm

(5)

(6)

(7)

式中:AR為前進(jìn)速度(m/h);PR為凈掘進(jìn)速度(m/h);t為總時(shí)間(24 h/d,168 h/周等)。

將式(4)代入式(6)中,得到:

(8)

通常情況下,巖石基本質(zhì)量指標(biāo)BQ機(jī)越小,鉆掘指數(shù)越大,懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)則越為容易,截齒損耗也越小。而BQ機(jī)過小時(shí),理論上的PR雖然很大,但巖石的自立時(shí)間變較短,必須及時(shí)采取一定的支護(hù)措施,減少懸臂掘進(jìn)機(jī)使用,使實(shí)際前進(jìn)速度大幅下降。根據(jù)巖體鉆掘難度和巖體自立時(shí)間,對(duì)巷道圍巖可掘進(jìn)分級(jí)進(jìn)行調(diào)整,具體見表6。

表6 根據(jù)BQ機(jī)的圍巖可掘進(jìn)性分級(jí)

4 懸臂掘進(jìn)機(jī)圍巖綜合分級(jí)

4.1 分級(jí)方法及步驟

懸臂掘進(jìn)機(jī)圍巖綜合分級(jí)由2部分組成,分別為可掘進(jìn)性分級(jí)與地層適應(yīng)性分級(jí)。以玲瓏金礦靈山礦區(qū)開采的實(shí)際數(shù)據(jù)為依據(jù),預(yù)測(cè)前進(jìn)速度,并對(duì)懸臂掘進(jìn)機(jī)施工圍巖進(jìn)行綜合分級(jí)。前進(jìn)速度的計(jì)算公式如下:

AR=PRU

(9)

式中:U為利用率(%)。

以式(9)、表5和表6為依據(jù),可以計(jì)算得到施工前進(jìn)速度的區(qū)間計(jì)算值(見表7)。分級(jí)的前進(jìn)速度標(biāo)準(zhǔn)值取表7內(nèi)預(yù)測(cè)區(qū)間的中值,見表8。分級(jí)前進(jìn)速度取定后,懸臂掘進(jìn)機(jī)圍巖施工綜合分級(jí)結(jié)果見表9。

表7 前進(jìn)速度區(qū)間計(jì)算值 m/h

表8 前進(jìn)速度標(biāo)準(zhǔn)值 m/h

表9 懸臂掘進(jìn)機(jī)圍巖施工綜合分級(jí)結(jié)果

該懸臂掘進(jìn)機(jī)礦巖綜合分級(jí)方法如下:

1)調(diào)查采場(chǎng)礦巖結(jié)構(gòu)面參數(shù)及穩(wěn)定性。

2)根據(jù)結(jié)構(gòu)面信息得到相應(yīng)的適應(yīng)性分值,并依據(jù)表5進(jìn)行適應(yīng)性分級(jí)。

3)根據(jù)結(jié)構(gòu)面信息計(jì)算BQ值及BQ機(jī)結(jié)果進(jìn)行可掘進(jìn)性分級(jí)劃分,得到其掘進(jìn)難易程度。

4)綜合適應(yīng)性分級(jí)結(jié)果及可掘進(jìn)性分級(jí)結(jié)果,從而確定懸臂掘進(jìn)機(jī)的綜合分級(jí)。

4.2 綜合分級(jí)方法應(yīng)用

在懸臂掘進(jìn)機(jī)綜合性分級(jí)研究后,為證明其實(shí)用效果,以玲瓏金礦靈山礦區(qū)-510 m水平-6勘探線—-9勘探線6個(gè)不同位置為例進(jìn)行懸臂掘進(jìn)機(jī)綜合性圍巖分級(jí)驗(yàn)證。對(duì)-510 m水平-6勘探線—-9勘探線的懸臂掘進(jìn)機(jī)綜合性分級(jí)計(jì)算步驟如下:

1)調(diào)查圍巖參數(shù)、堅(jiān)硬程度、完整程度,結(jié)果見表10。

表10 試驗(yàn)采場(chǎng)懸臂掘進(jìn)機(jī)圍巖參數(shù)

2)根據(jù)表10進(jìn)行初步地勘結(jié)果,對(duì)上述所提及各項(xiàng)因素進(jìn)行打分,求出適應(yīng)性總分值BQ及BQ機(jī),并進(jìn)行施工可掘進(jìn)性分級(jí),根據(jù)式(8)及式(9)計(jì)算得到掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)值,根據(jù)計(jì)算得出的適應(yīng)性總分值和BQ機(jī)值,得到適應(yīng)性分級(jí)結(jié)果,見表11。

表11 試驗(yàn)采場(chǎng)懸臂掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)性分級(jí)結(jié)果

3)適應(yīng)性分級(jí)與可掘進(jìn)性分級(jí)結(jié)果,共同確定懸臂掘進(jìn)機(jī)施工綜合分級(jí)。施工前進(jìn)速度能夠根據(jù)掘進(jìn)速度預(yù)測(cè)值和利用率預(yù)測(cè)值計(jì)算得出,代入公式后估算懸臂掘進(jìn)機(jī)施工工期和成本,結(jié)果見表12。

表12 試驗(yàn)采場(chǎng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)綜合分級(jí)結(jié)果

5 結(jié) 論

基于巖體修正BQ分級(jí)方法,考慮圍巖與懸臂掘進(jìn)機(jī)相互作用關(guān)系和截齒磨損等機(jī)械參數(shù),提出了一種基于懸臂掘進(jìn)機(jī)性能的礦巖綜合分級(jí)方法,并應(yīng)用于玲瓏金礦靈山礦區(qū),對(duì)試驗(yàn)采場(chǎng)進(jìn)行了圍巖綜合分級(jí),結(jié)果合理可靠,適應(yīng)性強(qiáng)。

1)通過借鑒圍巖分級(jí)影響因素,分析確定了懸臂掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)性圍巖分級(jí)的主要地質(zhì)因素和其他指標(biāo),分析指標(biāo)與懸臂掘進(jìn)機(jī)工作條件之間的關(guān)系,初步確定了懸臂掘進(jìn)機(jī)工作的適應(yīng)范圍。

2)建立考慮巖體-機(jī)械相互作用BQ機(jī)的概念,按修正的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)分級(jí),相應(yīng)調(diào)整影響懸臂掘進(jìn)機(jī)施工的因素參數(shù),得到與實(shí)際情況更吻合的懸臂掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)性分級(jí)和可掘進(jìn)性分級(jí)。

3)提出了系統(tǒng)的懸臂掘進(jìn)機(jī)綜合性分級(jí)方法,并以玲瓏金礦靈山礦區(qū)-510 m水平-6勘探線—-9勘探線工程為例進(jìn)行懸臂掘進(jìn)機(jī)綜合性分級(jí)驗(yàn)證,分級(jí)結(jié)果合理可靠,適用性強(qiáng),證明了該分級(jí)方法的合理有效性。