液壓張裂掘進法在半煤巖巷掘進中的應用

高德繼

（霍州煤電集團有限責任公司辛置煤礦，山西 霍州 031400）

我國在很長時間內，煤炭作為主體能源的地位幾乎不可動搖。由于地質構造復雜的中小型礦井數量較多，導致巖巷和半煤巖巷占巷道總進尺的總比例很大。每年我國所有生產礦井的巖巷掘進量占到巷道總進尺的15%～25%，大約為2000 km 以上。近年來，伴隨著我國礦山智能化、采礦技術和礦山機械設備的蓬勃發展，半煤巖巷和巖巷的施工技術和裝備水平也同時得到了提高。但半煤巖巷和巖巷進尺水平仍然相對較低，嚴重制約著部分煤礦企業的采掘生產，同時對安全生產工作和巷道二次維護產生了直接的影響[1]。由于煤層賦存條件不穩定、地質構造復雜、巷道斷面較小、巷道設計長度較短等原因，部分礦井在巷道掘進中難以充分發揮綜掘機等大型設備的作用，所以僅靠提高機械化程度來加快半煤巖巷和巖巷掘進速率是行不通的。綜掘法和爆破法是當下煤礦企業掘進半煤巖巷主要的工藝方法，但是這兩種掘進工藝都存在著很多問題，比如設備投入成本高、現場適應性較差、工作期間粉塵量大等。綜掘法在巖巷和半煤巖巷掘進時存在破巖效率不高、設備損耗嚴重、維修及配件更換成本高的問題，最主要的是大型機器對于較短的巷道適應性很差；爆破法破巖時產生巨大的能量波，會對圍巖巖體造成巨大的開采損害，加劇圍巖的破碎程度，誘發巖體失穩[2]。此外爆破法在安全方面的問題也很明顯，每年因爆破事故造成的傷亡案例更是觸目驚心。這使得該方法具有非常高的不可控性和危險性，甚至導致部分地區對爆破法中火工品的管控非常嚴格。研究如何充分利用現有的設施設備，在保障安全管理的前提下提高半煤巖巷、含煤巖巷的掘進效率更具有較現實的意義[3]。

該文所描述的液壓張裂掘進法已被廣泛運用到開鑿隧道、硐室、石方開采以及建筑物的拆除等工作中，工藝相對成熟。現以辛置煤礦東四延深十七貫眼掘進工作面為工程背景，通過對液壓張裂掘進法在半煤巖巷掘進的理論依據、工作原理及具體掘進過程的闡述和對現場情況的分析，總結液壓張裂掘進法在礦井半煤巖巷掘進或含煤巖巷掘進中的應用特點，為安全高效地完成半煤巖巷掘進尋求一種安全、高效、無污染、成本低且滿足半煤巖巷單進要求的掘進方法。同時，也為同類地質條件的礦井單位提供一種可供參考使用的掘進方式。

1 工程概況

辛置煤礦東四延深十七貫眼掘進工作面為東四延深皮帶大巷末端和東四延深軌道大巷末端之間的聯絡巷，巷道設計長度僅40 m，凈高3800 mm，凈寬4600 mm。其中，東四延深皮帶大巷沿9#煤頂板掘進，東四延深軌道大巷沿10#煤頂板掘進（煤巖層關系如圖1 所示）。

圖1 煤巖層關系圖

東四延深十七貫眼施工的主要目的為保證采區的通風、運料和行人需求。受山西省火工品管控影響，礦井在十七貫眼施工期間不考慮使用炮掘工藝，而由于該聯巷設計長度較短，利用綜掘法拐彎頻繁，安裝拆解費力費時，不能充分發揮大型機械優勢，故不考慮使用綜掘工藝。為確保巷道正常貫通，需對十七貫眼的巷道坡度進行調整，即十七貫眼掘進期間需逐步自上而下從9#煤、泥巖、10#煤等巖（煤）層中穿層掘進，掘進期間斷面中一直存在較軟的煤層，屬半煤巖巷或含煤巖巷。礦井充分利用煤（巖）層中較軟的9#煤和10#煤更易人工創造充足的凌空面或自由面這一特點，最終選擇采用液壓張裂掘進法施工十七貫眼。具體步驟：人工挖掘迎頭斷面中的煤層或施工足夠空孔形成自由面，用鑿巖鉆機在巖層中按一定距離施工張裂孔，在張裂孔中插入液壓張裂槍進行斷面巖石張裂。

2 液壓張裂掘進法理論依據及工作原理

在煤礦巷道掘進工作中，最根本的目的是在保持周邊穩定性的前提下安全高效地將巖石從掘進工作面迎頭挖掘出來。

液壓張裂法是先在掘進工作面迎頭斷面中的巖體上鉆孔，然后用液壓機對孔壁施加載荷，使巖石張裂或破碎的方法。由于巖石的抗拉強度遠遠低于其抗壓強度（抗壓強度約為抗拉強度的10 倍），如常見的大理石、花崗石的抗壓強度一般為60～250 MPa，而其抗拉強度僅為3～10 MPa。液壓張裂掘進法的作用原理是從巖體內部開始破碎巖石，正是利用巖石抗拉強度相對更低的物理特征加上楔塊組的力學原理進行工作，如圖2。

圖2 工作原理示意圖

工作時，首先由液壓泵站輸出超高油壓驅動液壓缸產生巨大的軸向推動力P，推動力P通過楔塊和反楔片傳入張裂孔中，楔片對巖石產生垂直于巖石孔壁的合力，通過其力學原理將其轉變成橫向的張裂力F，橫向的張裂力F垂直眼壁，在接觸處產生剪切破裂，而在其邊緣處則引起徑向拉應力，使脆性巖石發生縱向劈裂，實現張裂破巖[4]。破巖前需要多次試驗來確定在巖石上施工的孔間距，以能使垂直眼壁的張裂力F能夠輕易將巖石縱向劈裂為宜。

3 液壓張裂掘進法工具介紹和具體掘進過程

液壓張裂掘進法所需工具主要由60 MPa 液壓泵站（動力部分）、高壓油管（連接部分）和450 mm 型張裂槍（工作部分）三部分組成。

液壓泵站由4 kW 電動機、高壓泵、低壓泵、過濾器、油箱、機架等組成。根據液壓泵的功率，可單獨使用1 個分裂槍，也可以使用2～5 個分裂槍同步進行工作。

張裂槍由一個控制閥、一個液壓油缸（槍體）、一個450 mm 楔片組（一個楔塊尖劈和兩個成對反向楔片）組成[5]。楔片組直徑約為50 mm（即施工的張裂孔直徑要略大于50 mm）。

張裂作業前必須在斷面上創造出張裂的凌空面，不能在沒有凌空面的巖體面上直接進行張裂作業，這樣不但劈裂不開巖石，而且很可能導致楔片組斷裂。張裂孔距凌空面一般設置為0.5～0.8 m，現場可根據巖層結構、硬度等巖性特點適當調整距離。在十七貫眼工作面掘進時，首先人工挖掘迎頭斷面中較軟的煤層或施工足量空孔作為凌空面。由于十七貫眼工作面迎頭上部有厚度0.8 m 較穩定的9#煤層，下部有10#煤層，隨著工作面延深迎頭上部會變為厚度2.0～2.6 m 較穩定的10#煤層，在9#煤層和10#煤層上更易于施工空孔或人工挖掘形成自由面。然后由打眼工用鉆機等設備按照張裂孔布置示意圖（如圖3、圖4 所示）在巖石上設置張裂孔。因張裂槍楔片長度為450 mm，按照張裂孔利用率不小于80%計算，孔深設置0.6 m 左右為宜。根據巖石的密度、強度和現場實際確認張裂孔孔距，先按0.5 m 布置一排孔距進行試驗。試驗時，先將高壓油管連接好分裂槍和液壓泵站，工作區域內嚴禁閑雜人員駐留。開啟液壓泵站后，施工人員要特別注意觀察液壓泵站上的壓力表數值，如果壓力達到60 MPa 或穩定到60 MPa，巖層仍未被分裂則應立即停止分裂，適當縮小孔距重新嘗試；如果壓力遠不到60 MPa 巖層即被輕易分裂，則應適當增大孔距重新嘗試，以充分發揮張裂設備的性能，提高作業效率。反復嘗試多次后選擇最合理的孔距。每排孔軸線應在一個平面上。鉆孔應盡量垂直迎頭，盡量避免斜孔作業。設置好孔距并按最合理的孔距施工分裂孔后，進行張裂機破巖。張裂機開機前將液壓油注入液壓油箱，以加至油箱蓋為準。在張裂槍的動力頭與楔片的接觸面上均勻涂抹潤滑脂，以減少張裂槍的工作阻力。用油管連接好泵站與張裂槍，統一把槍體換向閥扳至加壓（出油）位置，把張裂槍平放于地上，然后開啟電動機開關，操作泵站換向閥至加壓（出油）位置使動力頭伸出后，變換換向閥位置使動力頭收回，連續空載運行兩次后，將槍頭放入提前施工好的張裂孔中進行張裂即可。按照張裂孔布置示意圖對巷道中間部分巖層進行逐排（層）破巖。中間部分破巖結束后，再在兩幫各施工一排張裂孔，進行幫部巖石張裂。

圖3 迎頭上部和下部為煤時張裂孔布置示意圖（mm）

圖4 迎頭上部為煤時張裂孔布置示意圖（mm）

4 巖石張裂后的現場情況分析

東四延深十七貫眼掘進工作面使用液壓張裂掘進法進行半煤巖巷和含煤巖巷掘進，巷道設計40 m，總用時10 d，平均日進尺4 m，現場應用效果與傳統的掘進方法進行比較分析如下：

1）單進方面。單進水平是衡量掘進效率的重要指標。使用液壓張裂掘進法平均日進尺4 m，合計100 m/月，較傳統的炮掘法（單進約80 m/月）單進水平提高了25%，單進水平滿足礦井銜接要求。

2）巷道成型方面。使用液壓張裂掘進法巖體破碎后所形成的周邊穩定性較好。巷道凈寬要求4600 mm，寬度誤差要求為0～100 mm，現場在幫部隨機選取5 處進行測試，實測幫部距正中線數據分別為2310 mm、2350 mm、2360 mm、2350 mm、2350 mm，符合“巷道凈寬誤差符合以下要求：錨網（索）、錨噴、鋼架噴射混凝土巷道有中線的0～100 mm”的規定，巷道成型較好。

3）現場方面。傳統的炮掘法對于渣塊直徑大小難以控制，對于直徑較大的渣塊需要再次人工破碎。使用液壓張裂掘進法破碎巖體后所形成的渣塊直徑較小，現場大塊矸石直徑約200 mm，更易于輸送帶運出工作面。

4）生產組織方面。傳統的炮掘法或綜掘法需要對扒煤機、綜掘機等大型設備進行定期檢修，且受運輸系統的運行狀態影響較大，即后配套的系統皮帶停機狀態下很難進行生產，一般采用“三·八”制工作方式，即一班檢修，兩班生產。由于液壓張裂掘進法主要的設備張裂機及液壓泵站等非常簡單耐用，使用壽命長，工作效率高，成本低，幾乎無需保養和專門騰出時間進行檢修，所以液壓張裂掘進法可實現“三班生產”，相對來說有更充分的生產時間，工時利用率較高，生產組織方式也更加靈活多變。

5）其他方面。液壓張裂掘進法主要的設備張裂機及液壓泵站等非常輕便，設計輕巧，移動方便，工藝操作簡單，整套設備可由兩到三人同時操作即可完成作業，且一般從業人員經過極短時間的培訓就可以完全操作，在較短巷道內操作避免了綜掘法在狹小空間難以發揮機械作用的弊端，可適用于較復雜的環境，在現場操作過程中極少產生震動、噪音、粉塵等職業病因素。傳統的綜掘法在巷道開口、小斷面掘進等情況下拐彎困難，掘進緩慢，安裝、拆解等工序繁瑣，操作過程中會產生噪音、粉塵等危險隱患。

5 結語

液壓張裂掘進法運用液壓機械方式對半煤巖巷或含煤巖巷斷面進行張裂，是一種能有效碎裂堅硬巖石的創新工藝，在礦山開采及巷道掘進工程中不能使用炸藥和狹小空間難以使用大型機械的情況下破碎巖石具有很大的技術優勢。一是安全性，液壓張裂掘進法不像爆破和其他沖擊性設備有一定的危險隱患，是一種在靜態液壓環境下可控制性的工作，安全隱患較小，現場需要采取的安全措施也相對簡單；二是環保性，使用液壓張裂掘進法期間，職工受到震動、沖擊、噪音、粉塵等因素影響較小，對周圍環境不會產生太大影響，在現場操作過程中極少產生震動、噪音、粉塵等職業病因素；三是精確性，使用液壓張裂掘進法時，張裂機可以根據現場實際預先精確張裂方向和張裂邊緣，工作精度高，巷道成型好；四是靈活性，液壓張裂掘進法主要的設備張裂機及液壓泵站等幾乎無需保養和專門騰出時間來進行檢修，可實現“三班生產”，有更充分的生產時間，工時利用率更高，生產組織方式也更加靈活多變；五是適用性，液壓張裂掘進法的主要配備工具張裂槍和液壓泵站使用方法簡單易學，職工技能培訓簡單易學，設備搬運方便，更適用于巷道開口、拐彎等狹小空間。

液壓張裂掘進法在半煤巖巷和含煤巖巷中完全可以取代火工品爆破，尤其是在施工設計長度較短的巷道時更經濟、更高效、更實用。但在操作前必須人工創造一定的凌空面或自由面，對于如何降低人工創造自由面這一過程的工作量和與巖石硬度之間的關系，還需進一步進行研究。