液壓劈裂技術在硬巖開拓巷道中的應用

王海斌

（汾西礦業（集團）有限責任公司雙柳煤礦，山西 柳林 033300）

引言

隨著礦井綜合機械化水平的不斷提升，綜掘設備在煤礦井下被廣泛應用，在一定程度上提升了巷道掘進效率[1-2]。但是當掘進巷道為堅硬的巖層時，綜掘機截割破巖過程中存在截割齒及底座磨耗嚴重、掘進效率低等問題，在一定程度上制約了綜掘機應用效率[3]。降低綜掘機截割巖層強度以及完整性是提高綜掘機截割破巖效率并降低設備磨耗的關鍵措施之一[4]。現階段常用的巖層弱化技術包括有深孔爆破、水力壓裂等措施，但是上述技術均存在影響弱化影響范圍難以控制問題[5-7]。為此，文中提出將液壓劈裂技術應用到巖層弱化中，并以下組煤8206材巷風橋掘進為工程實例，對掘進迎頭液壓劈裂鉆孔布置情況以及現場應用效果等進行分析，以期能在一定程度上提高堅硬巖層巷道掘進效率。

1 工程概況

下組煤8206材巷風橋穿層段，設計掘進長度為151 m，坡度8°，根據已掌握地質資料，巷道掘進過程中會依次揭露過L1石灰巖（厚度5.3 m）、泥巖、煤線、L2灰巖（厚度4.1 m）、7號下煤、L3灰巖泥巖（厚度2.3 m）等巖層，下穿巖層厚度合計為12.8 m。

下組煤8206材巷風橋斷面為直墻半圓拱，巷寬5.0 m、巷高3.8 m、墻高1.3 m，施工采用EBZ260H硬巖掘進機截割破巖，配合轉載機出渣施工，循環進度1.0 m。

施工工藝流程：安全檢查→掘進機截割→出渣→臨時支護→永久支護。

掘進機在堅硬的灰巖中掘進時，截割頭截割主要采用間歇性點割為主（1~10 min調整一次截割頭），進刀方式為中部進刀，形成局部截割面后，逐步擴大，先中部后刷擴輪廓段；截割每循環進度為100~200 mm截深。截割深度達到500 mm后，逐段修邊，截割一個循環（進尺1.0 m）需要4 h、更換截齒10個，目前截割造成掘進機劇烈震動，各部件損耗嚴重，其中截齒底座損壞嚴重。

為了提高下組煤8206材巷風橋穿層段掘進效率，并降低綜掘機磨損量，需要采取適當措施降低巖層硬度。現階段可選的巖層弱化方法包括有水力壓裂、深孔預裂爆破，水力壓裂雖然可降低巖層強度，但是壓裂范圍控制難度較高，甚至可能會影響巷道圍巖穩定性；深孔預裂爆破由于耗時較長、爆破后產生有害氣體，同時增加巷道掘進成本。為此，提出采用液壓劈裂機對掘進迎頭位置堅硬巖體進行弱化，提高巷道綜合掘進效率。

2 液壓劈裂機現場應用分析

2.1 施工工藝

壓裂綜掘施工工藝流程：安全檢查→施工鉆眼→劈裂機劈裂鉆孔→掘進機截割→出渣→臨時支護→永久支護。

在掘進工作面依據上下臺階斷面情況設計鉆孔，布置合理施工鉆孔，定向壓裂鉆孔造成局部段碎裂（垂直方向孔間預裂），增加截割面，降低截割難度。豎孔布置主要預防大塊矸石脫落，只形成預裂而杜絕形成危巖。具體布置的鉆孔見下頁圖1所示，其中圖1-1為上臺階鉆孔布置圖、圖1-2為下臺階鉆孔布置圖，布置的鉆孔孔深均為1 000 mm。鉆孔采用型號YT-29鑿巖機配合中空六角鋼釬、金剛石鉆頭鉆進，施工的孔徑為32~45 mm。

圖1 掘進迎頭鉆孔布置參數（單位：mm）

2.2 液壓劈裂機操作方法

在下組煤8206材巷風橋使用液壓劈裂機弱化巖層，具體液壓劈裂機結構見下頁圖2所示。具體的操作方法為：

圖2 液壓劈裂機結構圖

1）由于下組煤8206材巷風橋在堅硬的灰巖中掘進，依據掘進橫斷面、鑿孔深度以及弱化方向，在斷面上選擇15支劈裂槍。

2）為了提高破巖效率，在掘進迎頭位置提前根據設計要求施工鉆孔。

3）在鉆孔內插入劈裂槍，依靠液壓壓力弱化堅硬的灰巖。

正確以及規范使用液壓劈裂機是實現高效、安全破巖的關鍵。現場作業人員在操作液壓劈裂機前應經過培訓并掌握液壓劈裂機各個零部件結構組成、功能，并嚴格準守作業規程操作。在液壓劈裂機使用前，應首先檢查各個零部件安裝是否到位、結構是否可靠，并按照下述步驟操作：將劈裂槍插入到鉆孔內，根據現場需要調整劈裂方向；啟動液壓泵、控制換向閥對掘進迎頭巖體進行劈裂；當劈裂巖體中產生小裂隙后，換向閥換向、內鍥塊以及活塞桿縮回并轉動劈裂墻反向，使得再次劈裂時巖體形成的裂隙與原有方向不一致；多次重復劈裂，從而使得掘進工作面前方巖體強度得以明顯降低，后使用綜掘機、刮板輸送機以及可伸縮帶式輸送機等進行破巖、轉載以及運輸。

2.3 現場應用效果

當下組煤8206材巷風橋在堅硬的灰巖中掘進時，即采用液壓劈裂機來降低掘進工作面迎頭巖體強度，從而達到提高綜掘機掘進效率并降低設備磨損的目的。根據相關統計結果，使用液壓劈裂機后巷道綜合掘進效率較使用前提高15%，日掘進進尺達到5.0 m；綜掘設備磨損程度較使用前降低約25%，每月可節省設備更換以及維護費用約2萬元。液壓劈裂機應用不僅顯著提高了下組煤8206材巷風橋在堅硬灰巖中的掘進效率也降低了綜合掘進成本。

3 結論

1）下組煤8206材巷風橋使用EBZ260H綜掘機破巖，但是由于掘進范圍內有堅硬的灰巖，從而導致巷道掘進效率較低，綜掘設備磨損嚴重。如何降低掘進迎頭灰巖強度成為提高巷道掘進效率以及降低掘進成本的關鍵。采用深孔預裂爆破、水力壓裂等技術雖然可滿足堅硬巖層弱化目的，但是卻存在弱化范圍難以控制等問題。為此，提出使用液壓劈裂機弱化掘進迎頭堅硬巖體。

2）液壓劈裂機具有結構簡單、工作效率高以及成本低等優點，現場應用后，綜掘機在堅硬灰巖中掘進進尺達到5.0 m/d，綜掘設備磨損量降低20%，取得了較好的應用成果。