液壓巖石分裂機在煤礦的應用

翁海龍

（國家能源集團保德煤礦，山西 忻州 036600）

0 引言

國家能源集團保德煤礦位于山西省忻州市保德縣境內，井田南北長14 km，東西寬5.7 km，面積達55.9 km2。地處河東煤田的北部，黃河東岸，屬黃土高原晉西北邊緣地段，是晉北大型煤炭基地河保偏礦區。現開采井田最上層的8#煤層，該煤層以礦井康孫大巷（+720 m～+760 m標高的水平大巷），8#煤層主、輔運大巷，五盤區主、輔運大巷，“三盤區”防隔水煤柱為分界，把井田劃分為一、二、三（上）、三（下）、五，共5個盤區。

1 回采工作面基本情況

81307綜放工作面所回采煤層為二疊紀煤層，煤層總體近南北走向，呈向西傾斜的單斜構造，煤層傾角為3°～7°，平均4°左右，為左工作面，采煤機破碎機靠右側朝向機尾側。煤層及頂板裂隙較為發育，在煤層起伏變化處發育強烈，造成頂板破碎冒落，且部分段發育有古河流沖刷帶，老頂為粗粒砂巖、鈣質膠結，膠結程度差，抗壓強度低。每逢回采過程中遇周期來壓，架前易發生大塊巖石冒落現象，導致機頭運輸系統被堵、采煤機難以正常通行等現象，嚴重影響正常生產。

當出現大塊巖石冒落在靠機尾和采煤機之間時，通過判斷巖石大小進行處理，較小的巖石由采煤機推至轉載機進入破碎機，還能由采煤機破碎機多次進行截割、破碎處理，然而巖石較大且硬度較高時，則只能通過人工鑿巖、火工品爆破的方式進行處理。人工用風鎬、大錘破碎巖石，勞動強度大且效率低。為了安全起見，冒落的巖石為不規則的長條狀時，如果用火工品，巖石打孔后最小抵抗線很難把握安全（炸藥的埋置深度，稱為最小抵抗線），易發生巖石表面崩碎、飛濺誤傷人和設備。

2 液壓巖石分裂機的應用

2.1 液壓分裂機介紹

選用型號為MKL-250液壓分裂機，其技術參數見表1。

表1 主要技術參數

一套液壓巖石分裂機通常由液壓動力站、液壓分裂槍和高低壓液壓連接管3大部分組成［1-3］，如圖1所示。

液壓動力站：主要由動力源（電動機）、液壓泵、限壓閥、液壓油箱等部分組成［4-6］。動力源產生動力，驅動液壓泵，從而通過高低壓連接管向巖石液壓分裂機提供高壓、小流量的液壓油。同時，為了工作安全，液壓系統由一個限壓閥控制，壓力極限為60 MPa［7-9］。根據液壓泵的功率不同，一臺液壓動力站可以同時驅動3～6條分裂槍。

液壓分裂槍：主要由控制閥、液壓缸、楔塊組（包括一個中間楔塊和兩個成對反向楔塊）3部分構成。液壓缸是由優質鋼制成，重量輕且極其耐用。反向楔塊的表面鍍有一層特殊的硬質材料，具有很高的抗壓強度和耐磨性能，可以提高其使用壽命10倍以上。

圖1 液壓巖石分裂機示意圖

高、低壓液壓連接管：用于聯結巖石液壓分裂機和液壓動力站，加上分配器可將多個分裂機與一套液壓動力系統相連起來。而快速接頭可以在數秒鐘內十分方便地將整個系統連接完畢并開始工作，或拆開以便于運輸。

2.2 使用設計

分力點設計：合理設置可保證作業質量和工作效率［10-11］，通過對現場巖石（矸石）的密度、強度檢測，結合實踐，不斷分析、優化總結。例如，分裂一塊長4 m、寬2 m、高2 m的花崗巖，一般設置5～7個分力點。

鉆孔參數：孔徑大于 φ42 mm，孔深大于500 mm，孔間距根據被分裂物體密度、強度進行設計，一般最佳效果的間隔應不大于500 mm。

設計理念：石材的劈裂，有史以來先后依靠石匠手工敲鑿、火工品爆破、二氧化碳爆破等方式，效率雖然逐步提高，但需要二次保護工序多，使用環境受限，產生大量有害氣體、巖石飛濺、噪聲等。常規的機械破碎方法有風鎬、破碎錘等，都是通過外力的作用來破壞物體的結構。但通常需要被破碎的一些脆性物體的抗壓強度很高，其抗拉強度卻相當低。大部分巖石的抗壓強度遠遠大于其抗拉強度和抗剪強度，其比值大約為10∶1。比如：花崗巖，硬度等級高達莫氏7.5～8級，而抗拉強度卻通常只有3～10 MPa，即抗拉強度遠遠低于其抗壓強度。液壓巖石分裂機正是利用脆性材料抗拉強度低的這一特性，運用楔塊組的力學原理及液壓機理開發出來。

2.3 主要實施步驟

選擇分裂機：通過對被分裂的物體密度、強度檢測，選擇合適的分裂機，并根據被分裂的物體大小，從而設計所需施工鉆孔數量。按照設計鉆特定直徑、間隔數量、深度的孔。開機前檢查壓力油量是否符合油標指示要求（需達到油標指示2/3以上）。理順油管，動力頭兩側斜面均涂高壓潤滑脂；扣好兩片楔片，楔片不歪扭、不開縫，確保楔片工作面中無砂石雜物。在劈裂2～3個孔后，應將楔片及動力頭斜面清除干凈，重新涂上潤滑脂。

安設分裂機：分裂機槍頭插入孔底，啟動動力泵，注意電機運轉方向（電機風扇應按順時針方向運轉）。開動泵站換向閥，將巖石液壓分裂機的楔塊組依次插入打好的孔中。安設好分裂槍后，設置警戒，遠程開泵并操作送液，分裂過程中要注意觀察泵站壓力表壓力，如果壓力達到60 MPa，被分裂的物體未發生明顯變化，則立即停止分裂，采取縮短鉆孔間隔距離重新嘗試。

操作步驟：分裂后操作卸壓，將分裂槍上的換向閥打到2#位置，楔片上行回位，當回位后，將手柄打到中位卸載。完成分裂作業后，應卸油壓并關閉油泵電機。

2.4 使用及性能效果分析

使用效果分析：通過綜采隊在現場用該液壓巖石分裂機破碎大塊巖石的實際使用效果，同比之前使用人工機械破碎方式的風鎬、破碎錘對比，該效率非常高，節省時間，安全可靠。處理相雷同的約2 m×2 m×1 m巖石大塊，采用該液壓巖石分裂機比過去機械式處理時間快4/5，且巖石塊越大，優點突出越明顯。分裂巖石效果如圖2所示。

圖2 液壓巖石分裂機效果示意圖

性能效果分析：液壓巖石分裂機在施工過程中呈現靜態分裂，不同于火工品爆破和其他沖擊錘、鑿巖設備等危險。經濟環保，與大多數火工品爆破、二氧化碳爆破等破巖石方法不同，液壓巖石分裂機可以很快完成分裂，而且能夠不間斷連續作業，效率高；養護成本低，能夠反復使用。使用過程中不會出現大噪聲、粉塵、飛屑等，而且周圍環境不會受到影響，不用大范圍做各種保護措施。精準簡易，液壓巖石分裂機可以根據所需起裂縫隙的方向、分裂形狀及需要去除部分的尺寸進行設計施工，維護簡單，單人即可搬運操作。

3 結語

液壓巖石分裂機結構簡單、安全可靠、劈裂巖石速度快、實施效率高、成本低、經濟效益和社會效益顯著。使用結果表明：該分裂機完全可以取代火工品爆破，是大塊巖石分解的理想方法之一，是一種經濟、高效實用的無火工品爆破施工的機械方式，為煤礦綜采面提供了安全可靠、值得信賴的破碎大塊巖石方法。