0 引 言
我国煤矿岩巷掘进以钻爆法和机掘法为主，其中钻爆法施工占95%以上[1]。淮南矿区是我国亿吨煤炭生产基地之一，岩巷钻爆法掘进速度一般为70～80 m/月[2-3]，该进尺已不能满足煤炭机械化开采对岩巷掘进进度的要求。
对于如何提高岩巷掘进速度，现阶段主要以爆破技术为研究重点。如龚敏等[1]从掏槽角度、增加中心眼、增加药量等方面提高单循环速度50%左右；杨仁树等[4]认为爆破效果的提高需要在掏槽爆破效率基础上提升周边成型质量；文献[5-6]认为楔形掏槽爆破影响最大的因素为炮孔倾角；张奇等[7]定量分析了炮孔深度、孔距及空孔直径是影响直眼掏槽爆破效果的主要因素；张召冉等[8]提出了“多阶段”掏槽技术，现场应用效果良好；魏垂胜[9]提出了线性聚能光面爆破技术以降低打眼数、装药量，提高光面爆破效果；胡桂英等[10]提出了光面掏槽爆破技术来克服硬脆性花岗岩中夹制性大、炮孔利用率低等问题，取得了良好的效果；汪海波等[11]针对岩体中不连续面，提出了掏槽孔中心直眼采用孔内间隔延期装药结构，提高爆破效果。
近年来，已有部分学者开始从整体的视角去研究岩巷掘进的影响因素，认为钻爆法掘进速度受到多因子影响。王玉宝等[12]认为班组管理、工程地质条件预报水平、设备管理、支护参数优化设计等7个公共因子影响西山矿区煤巷掘进速度；阚磊等[13]认为影响钱营孜矿东一运输巷掘进速度的因素包括内因和外因共13项，并总结出影响掘进速度的主要问题是巷道打眼爆破工艺和支护方案。单仁亮等[14]认为影响岩巷钻爆法掘进速度的5个公共因子：精益管理因子、组织专业能力因子、设备管理因子、岩层条件因子、水文瓦斯因子。陈群忠[15]分析了影响深部岩巷爆破掘进的因素主要为爆破参数不合理，并结合具体施工条件，合理设计爆破参数，提高掘进效率；宋朝阳等[16]针对弱胶结砂岩强度、相邻巷道间距等影响巷道掘进的扰动因素，采用理论分析和数值模拟等手段研究不同影响因素对巷道围岩稳定性影响规律；朱现磊等[17]运用因子分析法获得了影响金庄煤业大断面煤巷快速掘进的4个因子为工程地质条件因子、掘进设备因子、支护技术因子及施工组织管理因子；张召冉等[18]针对岩巷钻爆法掘进进尺影响因子的判断以定性为主的问题，把岩巷钻爆法掘进施工分为水文地质、凿岩、爆破、支护等8大部分。薛辛培等[19]分析得金属矿掘进中出卡车数量、断面超挖、单循环凿岩面数、通风时长等个因素为该矿山可优化因素；以上研究的不足在于对岩巷掘进速度的影响因子缺乏系统性，因此，笔者针对岩巷钻爆法掘进速度影响因子进行系统性研究。
1 岩巷掘进影响因子系统化分析
生产系统的运转依靠各子系统的正常运转[20]，巷道掘进从生产工序上来讲，包括凿岩、爆破、支护、排矸、运输等环节，同时又受到巷道所处自然条件、辅助系统运转、组织管理等影响。巷道掘进是一个生产系统，系统内部凿岩、爆破、支护、排矸、运输等环节，环环相扣，彼此影响和制约。同时又受到外部系统的影响，如自然条件、辅助系统及组织管理的影响。其系统运行关系如图1所示。
图1 岩巷钻爆法掘进系统
Fig.1 Rock blasting drivage system operation diagram
2 掘进速度影响因子体系及关系图构建
2.1 影响因子指标体系确定
1)自然条件。淮南矿区煤田地表冲积层厚，煤层埋藏深，目前大多数矿井开拓深度已达到了深800 m左右，有的矿井正在向深度900～1 000 m延伸，煤层瓦斯压力高，瓦斯含量大，地温高(地温31～37 ℃)，地质构造复杂，岩性变化较大，泥岩、砂岩、灰岩多种岩性并存，部分巷道涌水量大，断层构造多，裂隙节理发育，随着采深的进一步增加，围岩松散破碎程度进一步加剧，顶板维护困难，对支护要求更高。以上条件构成了淮南矿区岩巷掘进自然条件的极端复杂性，成为淮南矿区岩巷快速掘进的必须重视的因素。所以，选取工作面水的影响、瓦斯影响、温度、围岩质量(裂隙等)、顶板情况、普氏系数作为自然条件的表征指标。
2)凿岩。淮南矿区地质条件复杂多变，决定了淮南矿区内多种掘进作业方式的多样性。钻爆法、机掘法并存，但是钻爆法占95%以上。凿岩装备主要以气腿式凿岩机和凿岩台车为主。凿岩机械的凿岩速度、钻孔数目、炮孔设计深度、角度等都对岩巷凿岩速度产生重要影响。掘进范围内岩石的可钻性，对钻头的磨蚀性情况，淮南矿区内根据断面情况、岩性等综合考虑选用凿岩机械。矿区内岩巷施工队伍水平参差不齐，工人凿岩经验不足，导致同等岩性条件下，凿岩质量千差万别。所以，确定孔深、凿岩机情况、炮孔数、炮孔角度、深度、炮孔位置、工人凿岩水平和经验、围岩可凿性、围岩磨蚀性等作为凿岩的指标。
3)爆破。爆破对掘进的影响主要是爆破参数的设计，以及爆破效果的优劣。爆破参数中，掏槽技术是关键，淮南矿区内普遍采用楔形掏槽，掏槽形式单一，合理选择掏槽技术成为提高单进水平的关键。周边成型事关支护的工作量大小，以及后期巷道维修成本，由于矿区内地压普遍较大，对巷道质量要求高，因此对周边成型要求更高。炸药的选择与矿井的定级有关，矿区多数矿井属于高瓦斯矿井，主要以三级炸药为主，因此应用高威力三级炸药对提高爆破效果至关重要。雷管段别决定爆破时差，合理的爆破时差对爆破效果产生影响。施工中，工人的装药、堵塞、联线对爆破产生影响。爆破后爆堆形状、抛渣距离，矸石块度和方量都对后续排矸造成显著影响。因此选取掏槽采用技术、周边成型技术、爆破参数优劣、炸药情况、装药质量、炮泥堵塞质量、装药技术、起爆器型号、爆破作业、雷管质量、脚线联接情况、雷管总段数、大块率、爆堆形状、矸石方量作为爆破的指标。
4)排矸。围岩爆破后，矸石需要及时排出掘进工作面才能进行下步工序，淮南矿区排矸设备以耙渣机和挖斗式扒岩机为主，设备的型号及性能、设备的故障率，以及工人的操作的熟练程度、排矸的及时性及排矸组织的合理性是关系到排矸的关键因素。
5)支护。淮南矿区支护技术，锚网索喷联合支护是淮南矿区的主要技术手段，同时吸收国内外优秀支护技术，针对淮南矿区地压大，构造应力大等实际情况，选取先进支护技术，施工工艺、支护机具、培训工人施工水平，提高支护速度。
6)运输。淮南矿区矿车、皮带等多种矸石运输形式并存。不同形式带来的运输故障率、运输能力、供应能力均有所不同，合理选取运输指标，对矸石运输速度较为重要。
7)辅助系统。煤矿辅助系统主要包括，机电、排水、供水、通风、压风等辅助环节，一般情况下上述辅助系统故障为临时性故障。对掘进速度影响不大，因此不做考虑。
8)组织管理。组织管理岩巷快掘的保障。正规循环率的保证能够使得各班组明确和固定班组任务，增加熟练程度及劳动效率。管理制度及奖惩制度制定及执行对淮南集团国有企业提高工人劳动积极性至关重要；设备管理和维护、班组人员分工与配合是提高施工效率的关键。通过上述分析，得到淮南矿区钻爆法掘进速度影响因子体系为巷道所处自然条件，凿岩作业、爆破作业等8个一级指标以及39个二级指标、72个三级指标构成，具体如图2所示。
2.2 掘进速度影响因子关系系统图的构建
以掘进速度影响因子指标体系为基础，结合系统分析发现，岩巷掘进速度影响因子体系存在相互制约关系(图3)，这种制约关系既存在于同级因子之间，也存在于上下级因子之间，(图4)。
图2为因子之间的从属关系，图3、图4反映的是制约关系，将两者结合得到影响因子层级关系(图5)，子系统之间、各个因子之间是相互关联、相互作用的，构成了十分复杂的递阶因子链。
3 岩巷钻爆法快掘影响因子层级分析
3.1 解析结构模型原理
解析结构模型(简称ISM)是最初主要用于解决复杂系统内因子相互影响的技术，其基本思想是：把复杂的系统分解若干子系统要素，并利用计算机辅助来分析关键因素之间的关系[21]。
3.2 解析结构模型的应用
为分析的方便，笔者所指速度为月进尺，首先对影响因子体系进行优化。为此假设辅助系统能够正常运行，且能够满足生产的需要。基于以上假设条件，辅助系统的影响暂不考虑。结合掘进速度影响因子关系图(图4)最终得到解析结构模型的57个影响因子(第58个为掘进速度)，分别为工作面水的影响S1、瓦斯影响S2、温度S3、围岩质量(裂隙等)S4、顶板情况S5、普氏系数S6、孔深S7、凿岩机情况S8、炮孔数S9、炮孔角度S10、深度准确性S11、炮孔位置准确性S12、工人凿岩水平S13、凿岩工人经验S14、围岩可凿性S15、围岩磨蚀性S16、掏槽采用技术S17、周边成型技术S18、爆破参数优劣S19、炸药情况S20、装药质量S21、炮泥堵塞质量S22、装药技术S23、起爆器型号S24、爆破作业S25、雷管质量S26、脚线联接情况S27、雷管总段数S28、大块率S29、爆堆形状S30、矸石方量S31、装岩机S32、装岩机故障率S33、装岩效率S34、操作工人熟练性S35、排矸组织合理性S36、排矸及时性S37、支护技术先进性S38、支护参数合理性S39、机具钻孔速度S40、支护工操作S41、支护工配合S43、支护工艺S44、支护及时性S45、运输故障率S46、运输能力S47、(矿车)供应S48、劳动作业S49、正规循环率S50、设备管理S51、班组人员分工与配合S52、人员搭配S53、技能培训S54、管理制度执行S55、激励幅度S56，奖惩到位S57、掘进速度S58。
图2 岩巷钻爆法掘进速度影响因子体系总结构
Fig.2 Composition of influencing factors system of drilling and blasting in rock roadway
图3 掘进子系统之间相互关系
Fig.3 Relationship between excavation subsystems
图4 自然条件子系统
Fig.4 Natural condition subsystem
图5 岩巷钻爆法掘进系统因子关系
Fig.5 Factor relationship of drilling and blasting method in rock tunnel
1)因子间关系定义。因子间关系矩阵R的元素定义：
(1)
式中：1表示Si对Sj直接产生影响；0表示Si对Sj不直接产生影响。则R为由0和1构成的58阶矩阵，每个元素表示了影响因素与影响因素的关系；
2)可达矩阵。设I为单位矩阵，A=R+I，A为邻接矩阵。
E=zeros(A)；然后依次求出A2、A3…、An-1、An，当求得An-1与An的相等时停止运算，令M=An=(R+I)n，则M为可达矩阵，M表征了因子间的影响关系。
为简化计算量，利用Matlab软件编写程序运算后，可得淮南矿区岩巷钻爆法掘进系统的可达矩阵M。
3)求得可达集、前因集。对于求取的可达矩阵M中各个要素Mij，求得如下集合：
R(Si)=[Si|Mij=1;]
(2)
A(Si)=[Sj|Mij=1;]
(3)
式中，R(Si)为可达集，A(Si)为前因集，分别表示可达矩阵中第i行(列)上值为1的列(行)对应要素来求得。
再求交集R(Si)∩A(Si)=R(Si)，表示交集外其他要素能够影响该要素，而该要素则不能影响到其他要素，所以说，交集要素要比其他要素高一级。利用Matlab编程简化运算过程。最终得到淮南矿区岩巷钻爆法速度影响因子的层级(图5)。
图6 岩巷钻爆法掘进速度影响因子层级解析结构
Fig.6 Analysis on analytic hierarchy of factors influencing rapid excavation of rock drilling and blasting
4 层级分析结果及改进
4.1 层级分析结果
通过对岩巷钻爆法快掘影响因子的分析，得到淮南矿区岩巷钻爆法掘进速度影响的因素有表层、中层和深层原因。
1)表层原因主要为正规循环率、排矸速度、支护速度、凿岩速度以及顶板、工作面温度等因素。这是影响淮南矿区岩巷掘进的客观条件以及掘进速度不高的表象。
2)中层间接原因主要为影响制约表层因素的间接因素，排矸速度与设备配套，排矸工艺，爆破效果等密切相关，爆破效果又受到凿岩质量、凿岩操作水平等影响，还受到炸药、雷管、起爆器等的影响。对于凿岩速度，决定于设备选型、炮孔深度及眼数等因素。支护速度取决于支护技术、工艺选择、支护操作熟练等因素。
3)深层根本原因是指影响淮南矿区岩巷钻爆法掘进速度的关键因素。从图5可以看出，掘进速度的影响因子，从深层因子开始逐层影响，进而影响岩巷掘进速度。因子之间越是深层因子影响范围越大。底层深层影响因子中，管理制度健全与执行的影响的因子链最多，爆破技术及参数影响因子链次之，但因子数最多，支护及机械影响的最少。对淮南矿区而言，爆破技术尤其是掏槽技术和周边成型技术的选择对掘进速度影响最大；掘进有关的管理制度、奖惩制度影响范围更广，应该作为改进重点方向。以及采用新型凿岩装备凿岩速度和质量事关爆破掘进成败，优化配置作业线，采用先进支护技术工艺，也需要重点关注。
4.2 改进措施及效果
针对图5及4.1节的分析，理清制约淮南矿区钻爆法岩巷掘进速度的根本因素，确立了“深层因素重点管理，中层因素适度管理”的原则。主要采取了如下改进措施。
改进前后凿岩参数效果对比见表1。
表1 钻爆法施工技术优化前后指标对比分析
Table 1 Comparative analysis of technical indicators for drilling and blasting construction in rock roadway
一级指标二级指标 优化前 优化后 变化情况 备注掏槽及周边支护作业作业线爆破作业施工组织及工效掏槽技术普通楔形不同岩性掏槽技术—炮孔利用率80%95%15%成型技术普通光面定向断裂—周边眼痕率30%50%20%支护工艺一次支护二次支护—支护耗时100 min50 min-50%设备型号及数量1台ZP-Ⅶ型喷浆机+ MQT-120C2台ZP-Ⅶ型喷浆机+ MQT-120C—消耗锚杆量0.70根/m20.65根/m2-7.1%钻爆法作业线7655+P60/90YT28/29+ P60/90CMJ2-27+ZCD60R/100R—正规循环率80%88%8%单循环进尺平均1.8平均2.1 m+11%日进尺5.78.5+50%月进尺140240+71%超欠挖150100-20%单耗1.391.55—管理模式内部任务制承发包“31X”—工效(m /工)2.12 m/工3.52 m/工+66%“+”、“-”分别表示优化后指标与优化前指标比较是提高还是降低;“—”表示无比较
1)掏槽技术。通过调研发现，淮南矿区的岩巷掘进掏槽技术单一，无论是硬岩还是软岩主要采用单楔形掏槽进行，导致爆破效率不高，炮孔深度1.8 m左右，炮眼利用率平均为80%左右，月进尺普遍在70～80 m。针对掏槽技术单一的问题，联合攻关研究应用了炮眼深度2.2 m或2.6 m，适用于不同围岩类别的掏槽技术，主要有适用于软岩的单楔形掏槽技术，适用于中硬岩石的双楔形掏槽技术，适应于硬岩的双楔形加中心眼掏槽技术，适应于极硬岩的双楔形(不等深)加中心眼掏槽技术。应用效果表明，单循环进尺提高到2.1 m或2.4 m左右，炮眼利用率提高到95%左右。
2)周边成型控制技术和支护。淮南矿区岩巷普遍存在周边超挖普遍在200 mm以上，眼痕率不足50%。研究应用基于切缝药包的周边定向断裂爆破技术，应用效果显示，在良好掏槽效果的基础上，周边眼痕率达到50%以上，超挖控制在100 mm以内，成型质量良好。在此基础上优化支护参数，采用“二次支护”工艺，应用效果显示，掘进工作面支护工作量和支护时间相对一次支护成型工艺减少30%，充分利用巷道的空间进行平行作业，显著减少支护作业对掘进工作面工作时、空间的占用。
3)施工机械。淮南矿区以气腿式凿岩机(7655)和耙矸机(P60、P90)为主的作业线，具有施工效率低，工人劳动强度大等缺点。优化后，中小断面采用钻眼效率更高的YT28/29系列气腿式凿岩机，配合耙矸机进行排矸作业；中大断面采用液压钻车(CMJ2-27)和侧卸装岩机(ZCD60R/100R)为主要设备的作业线。针对机械化作业线施工中掘进工作面排矸不连续的问题，确定了以水平矸石仓为核心的连续排矸系统(矸石仓容量为至少2个循环矸石量)，解决掘进工作面排矸不畅的问题，实现了掘进系统的正常生产作业。应用效果显示，连续排矸系统使用后，节省循环时间120～180 min。新型气腿式凿岩机作业线，中小断面钻爆法作业线月进尺平均190 m，最高270 m/月(张集矿17256底抽巷，断面3.5 m×3.0 m，砂质泥岩为主)。掘进进尺水平相比以前提高100%以上。液压钻车作业线平均月进尺130 m，最高月进尺150 m(新庄孜矿66313底板巷，断面4.8 m×3.9 m，中粗粒石英砂岩为主)，较之前施工速度提高80%以上。
4)施工组织及管理。针对煤矿自有队伍施工进尺水平低的问题，专门成立矿建工程公司，形成了基于集团内部承发包的岩巷施工管理的“31X”管理模式，形成了集团公司、工程公司、煤矿3方共管的管理新模式。制定全矿区岩巷快速掘进作业线施工规范，组织凿岩与排矸、支护与排矸、凿岩与支护等3大工序的平行作业。根据岩巷情况优化劳动组织，灵活应用“三八”“四六”制作业，制定明确的奖惩机制，提高工人劳动积极性，以上制度的实施有效保障了淮南矿区岩巷掘进的顺利进行。
5 结 论
1)建立了符合淮南矿区岩巷钻爆法掘进速度三级影响因子指标体系，并综合考虑逻辑关系，建立了影响因子的系统分析关系图和递阶因子链，理清掘进速度影响因子间相互作用关系，使得影响因子分析更客观，符合实际。
2)应用ISM模型进行影响因子分析，能够对影响掘进速度的影响因子进行层级划分，进而把影响岩巷掘进速度的深层次原因提取出来，分析结果可为决策者采取针对性的措施提供依据。
3)通过分析可以得到淮南矿区岩巷钻爆法掘进速度影响的深层原因有爆破技术、凿岩设备、支护参数与工艺、管理制度健全与执行4个方面。淮南矿区采取针对性措施后，岩巷掘进速度提升效果明显。
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