液压张裂掘进法在半煤岩巷掘进中的应用

高德继

（霍州煤电集团有限责任公司辛置煤矿，山西 霍州 031400）

我国在很长时间内，煤炭作为主体能源的地位几乎不可动摇。由于地质构造复杂的中小型矿井数量较多，导致岩巷和半煤岩巷占巷道总进尺的总比例很大。每年我国所有生产矿井的岩巷掘进量占到巷道总进尺的15%～25%，大约为2000 km 以上。近年来，伴随着我国矿山智能化、采矿技术和矿山机械设备的蓬勃发展，半煤岩巷和岩巷的施工技术和装备水平也同时得到了提高。但半煤岩巷和岩巷进尺水平仍然相对较低，严重制约着部分煤矿企业的采掘生产，同时对安全生产工作和巷道二次维护产生了直接的影响[1]。由于煤层赋存条件不稳定、地质构造复杂、巷道断面较小、巷道设计长度较短等原因，部分矿井在巷道掘进中难以充分发挥综掘机等大型设备的作用，所以仅靠提高机械化程度来加快半煤岩巷和岩巷掘进速率是行不通的。综掘法和爆破法是当下煤矿企业掘进半煤岩巷主要的工艺方法，但是这两种掘进工艺都存在着很多问题，比如设备投入成本高、现场适应性较差、工作期间粉尘量大等。综掘法在岩巷和半煤岩巷掘进时存在破岩效率不高、设备损耗严重、维修及配件更换成本高的问题，最主要的是大型机器对于较短的巷道适应性很差；爆破法破岩时产生巨大的能量波，会对围岩岩体造成巨大的开采损害，加剧围岩的破碎程度，诱发岩体失稳[2]。此外爆破法在安全方面的问题也很明显，每年因爆破事故造成的伤亡案例更是触目惊心。这使得该方法具有非常高的不可控性和危险性，甚至导致部分地区对爆破法中火工品的管控非常严格。研究如何充分利用现有的设施设备，在保障安全管理的前提下提高半煤岩巷、含煤岩巷的掘进效率更具有较现实的意义[3]。

该文所描述的液压张裂掘进法已被广泛运用到开凿隧道、硐室、石方开采以及建筑物的拆除等工作中，工艺相对成熟。现以辛置煤矿东四延深十七贯眼掘进工作面为工程背景，通过对液压张裂掘进法在半煤岩巷掘进的理论依据、工作原理及具体掘进过程的阐述和对现场情况的分析，总结液压张裂掘进法在矿井半煤岩巷掘进或含煤岩巷掘进中的应用特点，为安全高效地完成半煤岩巷掘进寻求一种安全、高效、无污染、成本低且满足半煤岩巷单进要求的掘进方法。同时，也为同类地质条件的矿井单位提供一种可供参考使用的掘进方式。

1 工程概况

辛置煤矿东四延深十七贯眼掘进工作面为东四延深皮带大巷末端和东四延深轨道大巷末端之间的联络巷，巷道设计长度仅40 m，净高3800 mm，净宽4600 mm。其中，东四延深皮带大巷沿9#煤顶板掘进，东四延深轨道大巷沿10#煤顶板掘进（煤岩层关系如图1 所示）。

图1 煤岩层关系图

东四延深十七贯眼施工的主要目的为保证采区的通风、运料和行人需求。受山西省火工品管控影响，矿井在十七贯眼施工期间不考虑使用炮掘工艺，而由于该联巷设计长度较短，利用综掘法拐弯频繁，安装拆解费力费时，不能充分发挥大型机械优势，故不考虑使用综掘工艺。为确保巷道正常贯通，需对十七贯眼的巷道坡度进行调整，即十七贯眼掘进期间需逐步自上而下从9#煤、泥岩、10#煤等岩（煤）层中穿层掘进，掘进期间断面中一直存在较软的煤层，属半煤岩巷或含煤岩巷。矿井充分利用煤（岩）层中较软的9#煤和10#煤更易人工创造充足的凌空面或自由面这一特点，最终选择采用液压张裂掘进法施工十七贯眼。具体步骤：人工挖掘迎头断面中的煤层或施工足够空孔形成自由面，用凿岩钻机在岩层中按一定距离施工张裂孔，在张裂孔中插入液压张裂枪进行断面岩石张裂。

2 液压张裂掘进法理论依据及工作原理

在煤矿巷道掘进工作中，最根本的目的是在保持周边稳定性的前提下安全高效地将岩石从掘进工作面迎头挖掘出来。

液压张裂法是先在掘进工作面迎头断面中的岩体上钻孔，然后用液压机对孔壁施加载荷，使岩石张裂或破碎的方法。由于岩石的抗拉强度远远低于其抗压强度（抗压强度约为抗拉强度的10 倍），如常见的大理石、花岗石的抗压强度一般为60～250 MPa，而其抗拉强度仅为3～10 MPa。液压张裂掘进法的作用原理是从岩体内部开始破碎岩石，正是利用岩石抗拉强度相对更低的物理特征加上楔块组的力学原理进行工作，如图2。

图2 工作原理示意图

工作时，首先由液压泵站输出超高油压驱动液压缸产生巨大的轴向推动力P，推动力P通过楔块和反楔片传入张裂孔中，楔片对岩石产生垂直于岩石孔壁的合力，通过其力学原理将其转变成横向的张裂力F，横向的张裂力F垂直眼壁，在接触处产生剪切破裂，而在其边缘处则引起径向拉应力，使脆性岩石发生纵向劈裂，实现张裂破岩[4]。破岩前需要多次试验来确定在岩石上施工的孔间距，以能使垂直眼壁的张裂力F能够轻易将岩石纵向劈裂为宜。

3 液压张裂掘进法工具介绍和具体掘进过程

液压张裂掘进法所需工具主要由60 MPa 液压泵站（动力部分）、高压油管（连接部分）和450 mm 型张裂枪（工作部分）三部分组成。

液压泵站由4 kW 电动机、高压泵、低压泵、过滤器、油箱、机架等组成。根据液压泵的功率，可单独使用1 个分裂枪，也可以使用2～5 个分裂枪同步进行工作。

张裂枪由一个控制阀、一个液压油缸（枪体）、一个450 mm 楔片组（一个楔块尖劈和两个成对反向楔片）组成[5]。楔片组直径约为50 mm（即施工的张裂孔直径要略大于50 mm）。

张裂作业前必须在断面上创造出张裂的凌空面，不能在没有凌空面的岩体面上直接进行张裂作业，这样不但劈裂不开岩石，而且很可能导致楔片组断裂。张裂孔距凌空面一般设置为0.5～0.8 m，现场可根据岩层结构、硬度等岩性特点适当调整距离。在十七贯眼工作面掘进时，首先人工挖掘迎头断面中较软的煤层或施工足量空孔作为凌空面。由于十七贯眼工作面迎头上部有厚度0.8 m 较稳定的9#煤层，下部有10#煤层，随着工作面延深迎头上部会变为厚度2.0～2.6 m 较稳定的10#煤层，在9#煤层和10#煤层上更易于施工空孔或人工挖掘形成自由面。然后由打眼工用钻机等设备按照张裂孔布置示意图（如图3、图4 所示）在岩石上设置张裂孔。因张裂枪楔片长度为450 mm，按照张裂孔利用率不小于80%计算，孔深设置0.6 m 左右为宜。根据岩石的密度、强度和现场实际确认张裂孔孔距，先按0.5 m 布置一排孔距进行试验。试验时，先将高压油管连接好分裂枪和液压泵站，工作区域内严禁闲杂人员驻留。开启液压泵站后，施工人员要特别注意观察液压泵站上的压力表数值，如果压力达到60 MPa 或稳定到60 MPa，岩层仍未被分裂则应立即停止分裂，适当缩小孔距重新尝试；如果压力远不到60 MPa 岩层即被轻易分裂，则应适当增大孔距重新尝试，以充分发挥张裂设备的性能，提高作业效率。反复尝试多次后选择最合理的孔距。每排孔轴线应在一个平面上。钻孔应尽量垂直迎头，尽量避免斜孔作业。设置好孔距并按最合理的孔距施工分裂孔后，进行张裂机破岩。张裂机开机前将液压油注入液压油箱，以加至油箱盖为准。在张裂枪的动力头与楔片的接触面上均匀涂抹润滑脂，以减少张裂枪的工作阻力。用油管连接好泵站与张裂枪，统一把枪体换向阀扳至加压（出油）位置，把张裂枪平放于地上，然后开启电动机开关，操作泵站换向阀至加压（出油）位置使动力头伸出后，变换换向阀位置使动力头收回，连续空载运行两次后，将枪头放入提前施工好的张裂孔中进行张裂即可。按照张裂孔布置示意图对巷道中间部分岩层进行逐排（层）破岩。中间部分破岩结束后，再在两帮各施工一排张裂孔，进行帮部岩石张裂。

图3 迎头上部和下部为煤时张裂孔布置示意图（mm）

图4 迎头上部为煤时张裂孔布置示意图（mm）

4 岩石张裂后的现场情况分析

东四延深十七贯眼掘进工作面使用液压张裂掘进法进行半煤岩巷和含煤岩巷掘进，巷道设计40 m，总用时10 d，平均日进尺4 m，现场应用效果与传统的掘进方法进行比较分析如下：

1）单进方面。单进水平是衡量掘进效率的重要指标。使用液压张裂掘进法平均日进尺4 m，合计100 m/月，较传统的炮掘法（单进约80 m/月）单进水平提高了25%，单进水平满足矿井衔接要求。

2）巷道成型方面。使用液压张裂掘进法岩体破碎后所形成的周边稳定性较好。巷道净宽要求4600 mm，宽度误差要求为0～100 mm，现场在帮部随机选取5 处进行测试，实测帮部距正中线数据分别为2310 mm、2350 mm、2360 mm、2350 mm、2350 mm，符合“巷道净宽误差符合以下要求：锚网（索）、锚喷、钢架喷射混凝土巷道有中线的0～100 mm”的规定，巷道成型较好。

3）现场方面。传统的炮掘法对于渣块直径大小难以控制，对于直径较大的渣块需要再次人工破碎。使用液压张裂掘进法破碎岩体后所形成的渣块直径较小，现场大块矸石直径约200 mm，更易于输送带运出工作面。

4）生产组织方面。传统的炮掘法或综掘法需要对扒煤机、综掘机等大型设备进行定期检修，且受运输系统的运行状态影响较大，即后配套的系统皮带停机状态下很难进行生产，一般采用“三·八”制工作方式，即一班检修，两班生产。由于液压张裂掘进法主要的设备张裂机及液压泵站等非常简单耐用，使用寿命长，工作效率高，成本低，几乎无需保养和专门腾出时间进行检修，所以液压张裂掘进法可实现“三班生产”，相对来说有更充分的生产时间，工时利用率较高，生产组织方式也更加灵活多变。

5）其他方面。液压张裂掘进法主要的设备张裂机及液压泵站等非常轻便，设计轻巧，移动方便，工艺操作简单，整套设备可由两到三人同时操作即可完成作业，且一般从业人员经过极短时间的培训就可以完全操作，在较短巷道内操作避免了综掘法在狭小空间难以发挥机械作用的弊端，可适用于较复杂的环境，在现场操作过程中极少产生震动、噪音、粉尘等职业病因素。传统的综掘法在巷道开口、小断面掘进等情况下拐弯困难，掘进缓慢，安装、拆解等工序繁琐，操作过程中会产生噪音、粉尘等危险隐患。

5 结语

液压张裂掘进法运用液压机械方式对半煤岩巷或含煤岩巷断面进行张裂，是一种能有效碎裂坚硬岩石的创新工艺，在矿山开采及巷道掘进工程中不能使用炸药和狭小空间难以使用大型机械的情况下破碎岩石具有很大的技术优势。一是安全性，液压张裂掘进法不像爆破和其他冲击性设备有一定的危险隐患，是一种在静态液压环境下可控制性的工作，安全隐患较小，现场需要采取的安全措施也相对简单；二是环保性，使用液压张裂掘进法期间，职工受到震动、冲击、噪音、粉尘等因素影响较小，对周围环境不会产生太大影响，在现场操作过程中极少产生震动、噪音、粉尘等职业病因素；三是精确性，使用液压张裂掘进法时，张裂机可以根据现场实际预先精确张裂方向和张裂边缘，工作精度高，巷道成型好；四是灵活性，液压张裂掘进法主要的设备张裂机及液压泵站等几乎无需保养和专门腾出时间来进行检修，可实现“三班生产”，有更充分的生产时间，工时利用率更高，生产组织方式也更加灵活多变；五是适用性，液压张裂掘进法的主要配备工具张裂枪和液压泵站使用方法简单易学，职工技能培训简单易学，设备搬运方便，更适用于巷道开口、拐弯等狭小空间。

液压张裂掘进法在半煤岩巷和含煤岩巷中完全可以取代火工品爆破，尤其是在施工设计长度较短的巷道时更经济、更高效、更实用。但在操作前必须人工创造一定的凌空面或自由面，对于如何降低人工创造自由面这一过程的工作量和与岩石硬度之间的关系，还需进一步进行研究。