液压劈裂技术在硬岩开拓巷道中的应用

王海斌

（汾西矿业（集团）有限责任公司双柳煤矿，山西 柳林 033300）

引言

随着矿井综合机械化水平的不断提升，综掘设备在煤矿井下被广泛应用，在一定程度上提升了巷道掘进效率[1-2]。但是当掘进巷道为坚硬的岩层时，综掘机截割破岩过程中存在截割齿及底座磨耗严重、掘进效率低等问题，在一定程度上制约了综掘机应用效率[3]。降低综掘机截割岩层强度以及完整性是提高综掘机截割破岩效率并降低设备磨耗的关键措施之一[4]。现阶段常用的岩层弱化技术包括有深孔爆破、水力压裂等措施，但是上述技术均存在影响弱化影响范围难以控制问题[5-7]。为此，文中提出将液压劈裂技术应用到岩层弱化中，并以下组煤8206材巷风桥掘进为工程实例，对掘进迎头液压劈裂钻孔布置情况以及现场应用效果等进行分析，以期能在一定程度上提高坚硬岩层巷道掘进效率。

1 工程概况

下组煤8206材巷风桥穿层段，设计掘进长度为151 m，坡度8°，根据已掌握地质资料，巷道掘进过程中会依次揭露过L1石灰岩（厚度5.3 m）、泥岩、煤线、L2灰岩（厚度4.1 m）、7号下煤、L3灰岩泥岩（厚度2.3 m）等岩层，下穿岩层厚度合计为12.8 m。

下组煤8206材巷风桥断面为直墙半圆拱，巷宽5.0 m、巷高3.8 m、墙高1.3 m，施工采用EBZ260H硬岩掘进机截割破岩，配合转载机出渣施工，循环进度1.0 m。

施工工艺流程：安全检查→掘进机截割→出渣→临时支护→永久支护。

掘进机在坚硬的灰岩中掘进时，截割头截割主要采用间歇性点割为主（1~10 min调整一次截割头），进刀方式为中部进刀，形成局部截割面后，逐步扩大，先中部后刷扩轮廓段；截割每循环进度为100~200 mm截深。截割深度达到500 mm后，逐段修边，截割一个循环（进尺1.0 m）需要4 h、更换截齿10个，目前截割造成掘进机剧烈震动，各部件损耗严重，其中截齿底座损坏严重。

为了提高下组煤8206材巷风桥穿层段掘进效率，并降低综掘机磨损量，需要采取适当措施降低岩层硬度。现阶段可选的岩层弱化方法包括有水力压裂、深孔预裂爆破，水力压裂虽然可降低岩层强度，但是压裂范围控制难度较高，甚至可能会影响巷道围岩稳定性；深孔预裂爆破由于耗时较长、爆破后产生有害气体，同时增加巷道掘进成本。为此，提出采用液压劈裂机对掘进迎头位置坚硬岩体进行弱化，提高巷道综合掘进效率。

2 液压劈裂机现场应用分析

2.1 施工工艺

压裂综掘施工工艺流程：安全检查→施工钻眼→劈裂机劈裂钻孔→掘进机截割→出渣→临时支护→永久支护。

在掘进工作面依据上下台阶断面情况设计钻孔，布置合理施工钻孔，定向压裂钻孔造成局部段碎裂（垂直方向孔间预裂），增加截割面，降低截割难度。竖孔布置主要预防大块矸石脱落，只形成预裂而杜绝形成危岩。具体布置的钻孔见下页图1所示，其中图1-1为上台阶钻孔布置图、图1-2为下台阶钻孔布置图，布置的钻孔孔深均为1 000 mm。钻孔采用型号YT-29凿岩机配合中空六角钢钎、金刚石钻头钻进，施工的孔径为32~45 mm。

图1 掘进迎头钻孔布置参数（单位：mm）

2.2 液压劈裂机操作方法

在下组煤8206材巷风桥使用液压劈裂机弱化岩层，具体液压劈裂机结构见下页图2所示。具体的操作方法为：

图2 液压劈裂机结构图

1）由于下组煤8206材巷风桥在坚硬的灰岩中掘进，依据掘进横断面、凿孔深度以及弱化方向，在断面上选择15支劈裂枪。

2）为了提高破岩效率，在掘进迎头位置提前根据设计要求施工钻孔。

3）在钻孔内插入劈裂枪，依靠液压压力弱化坚硬的灰岩。

正确以及规范使用液压劈裂机是实现高效、安全破岩的关键。现场作业人员在操作液压劈裂机前应经过培训并掌握液压劈裂机各个零部件结构组成、功能，并严格准守作业规程操作。在液压劈裂机使用前，应首先检查各个零部件安装是否到位、结构是否可靠，并按照下述步骤操作：将劈裂枪插入到钻孔内，根据现场需要调整劈裂方向；启动液压泵、控制换向阀对掘进迎头岩体进行劈裂；当劈裂岩体中产生小裂隙后，换向阀换向、内锲块以及活塞杆缩回并转动劈裂墙反向，使得再次劈裂时岩体形成的裂隙与原有方向不一致；多次重复劈裂，从而使得掘进工作面前方岩体强度得以明显降低，后使用综掘机、刮板输送机以及可伸缩带式输送机等进行破岩、转载以及运输。

2.3 现场应用效果

当下组煤8206材巷风桥在坚硬的灰岩中掘进时，即采用液压劈裂机来降低掘进工作面迎头岩体强度，从而达到提高综掘机掘进效率并降低设备磨损的目的。根据相关统计结果，使用液压劈裂机后巷道综合掘进效率较使用前提高15%，日掘进进尺达到5.0 m；综掘设备磨损程度较使用前降低约25%，每月可节省设备更换以及维护费用约2万元。液压劈裂机应用不仅显著提高了下组煤8206材巷风桥在坚硬灰岩中的掘进效率也降低了综合掘进成本。

3 结论

1）下组煤8206材巷风桥使用EBZ260H综掘机破岩，但是由于掘进范围内有坚硬的灰岩，从而导致巷道掘进效率较低，综掘设备磨损严重。如何降低掘进迎头灰岩强度成为提高巷道掘进效率以及降低掘进成本的关键。采用深孔预裂爆破、水力压裂等技术虽然可满足坚硬岩层弱化目的，但是却存在弱化范围难以控制等问题。为此，提出使用液压劈裂机弱化掘进迎头坚硬岩体。

2）液压劈裂机具有结构简单、工作效率高以及成本低等优点，现场应用后，综掘机在坚硬灰岩中掘进进尺达到5.0 m/d，综掘设备磨损量降低20%，取得了较好的应用成果。