高德繼

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司辛置煤礦，山西 霍州 031400）

我國在很長時(shí)間內(nèi)，煤炭作為主體能源的地位幾乎不可動(dòng)搖。由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的中小型礦井?dāng)?shù)量較多，導(dǎo)致巖巷和半煤巖巷占巷道總進(jìn)尺的總比例很大。每年我國所有生產(chǎn)礦井的巖巷掘進(jìn)量占到巷道總進(jìn)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(shù)和礦山機(jī)械設(shè)備的蓬勃發(fā)展，半煤巖巷和巖巷的施工技術(shù)和裝備水平也同時(shí)得到了提高。但半煤巖巷和巖巷進(jìn)尺水平仍然相對較低，嚴(yán)重制約著部分煤礦企業(yè)的采掘生產(chǎn)，同時(shí)對安全生產(chǎn)工作和巷道二次維護(hù)產(chǎn)生了直接的影響[1]。由于煤層賦存條件不穩(wěn)定、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、巷道斷面較小、巷道設(shè)計(jì)長度較短等原因，部分礦井在巷道掘進(jìn)中難以充分發(fā)揮綜掘機(jī)等大型設(shè)備的作用，所以僅靠提高機(jī)械化程度來加快半煤巖巷和巖巷掘進(jìn)速率是行不通的。綜掘法和爆破法是當(dāng)下煤礦企業(yè)掘進(jìn)半煤巖巷主要的工藝方法，但是這兩種掘進(jìn)工藝都存在著很多問題，比如設(shè)備投入成本高、現(xiàn)場適應(yīng)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(jìn)時(shí)存在破巖效率不高、設(shè)備損耗嚴(yán)重、維修及配件更換成本高的問題，最主要的是大型機(jī)器對于較短的巷道適應(yīng)性很差；爆破法破巖時(shí)產(chǎn)生巨大的能量波，會(huì)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(fā)巖體失穩(wěn)[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(xiǎn)性，甚至導(dǎo)致部分地區(qū)對爆破法中火工品的管控非常嚴(yán)格。研究如何充分利用現(xiàn)有的設(shè)施設(shè)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(jìn)效率更具有較現(xiàn)實(shí)的意義[3]。

該文所描述的液壓張裂掘進(jìn)法已被廣泛運(yùn)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(xiàn)以辛置煤礦東四延深十七貫眼掘進(jìn)工作面為工程背景，通過對液壓張裂掘進(jìn)法在半煤巖巷掘進(jìn)的理論依據(jù)、工作原理及具體掘進(jìn)過程的闡述和對現(xiàn)場情況的分析，總結(jié)液壓張裂掘進(jìn)法在礦井半煤巖巷掘進(jìn)或含煤巖巷掘進(jìn)中的應(yīng)用特點(diǎn)，為安全高效地完成半煤巖巷掘進(jìn)尋求一種安全、高效、無污染、成本低且滿足半煤巖巷單進(jìn)要求的掘進(jìn)方法。同時(shí)，也為同類地質(zhì)條件的礦井單位提供一種可供參考使用的掘進(jìn)方式。

1 工程概況

辛置煤礦東四延深十七貫眼掘進(jìn)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(lián)絡(luò)巷，巷道設(shè)計(jì)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(jìn)，東四延深軌道大巷沿10#煤頂板掘進(jìn)（煤巖層關(guān)系如圖1 所示）。

圖1 煤巖層關(guān)系圖

東四延深十七貫眼施工的主要目的為保證采區(qū)的通風(fēng)、運(yùn)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(lián)巷設(shè)計(jì)長度較短，利用綜掘法拐彎頻繁，安裝拆解費(fèi)力費(fèi)時(shí)，不能充分發(fā)揮大型機(jī)械優(yōu)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(jìn)行調(diào)整，即十七貫眼掘進(jìn)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(jìn)，掘進(jìn)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(chuàng)造充足的凌空面或自由面這一特點(diǎn)，最終選擇采用液壓張裂掘進(jìn)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(jī)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(jìn)行斷面巖石張裂。

2 液壓張裂掘進(jìn)法理論依據(jù)及工作原理

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

液壓張裂法是先在掘進(jìn)工作面迎頭斷面中的巖體上鉆孔，然后用液壓機(jī)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(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的10 倍），如常見的大理石、花崗石的抗壓強(qiáng)度一般為60～250 MPa，而其抗拉強(qiáng)度僅為3～10 MPa。液壓張裂掘進(jìn)法的作用原理是從巖體內(nèi)部開始破碎巖石，正是利用巖石抗拉強(qiáng)度相對更低的物理特征加上楔塊組的力學(xué)原理進(jìn)行工作，如圖2。

圖2 工作原理示意圖

工作時(shí)，首先由液壓泵站輸出超高油壓驅(qū)動(dòng)液壓缸產(chǎn)生巨大的軸向推動(dòng)力P，推動(dòng)力P通過楔塊和反楔片傳入張裂孔中，楔片對巖石產(chǎn)生垂直于巖石孔壁的合力，通過其力學(xué)原理將其轉(zhuǎn)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(chǎn)生剪切破裂，而在其邊緣處則引起徑向拉應(yīng)力，使脆性巖石發(fā)生縱向劈裂，實(shí)現(xiàn)張裂破巖[4]。破巖前需要多次試驗(yàn)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(jìn)法工具介紹和具體掘進(jìn)過程

液壓張裂掘進(jìn)法所需工具主要由60 MPa 液壓泵站（動(dòng)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(dòng)機(jī)、高壓泵、低壓泵、過濾器、油箱、機(jī)架等組成。根據(jù)液壓泵的功率，可單獨(dú)使用1 個(gè)分裂槍，也可以使用2～5 個(gè)分裂槍同步進(jìn)行工作。

張裂槍由一個(gè)控制閥、一個(gè)液壓油缸（槍體）、一個(gè)450 mm 楔片組（一個(gè)楔塊尖劈和兩個(gè)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(yè)前必須在斷面上創(chuàng)造出張裂的凌空面，不能在沒有凌空面的巖體面上直接進(jìn)行張裂作業(yè)，這樣不但劈裂不開巖石，而且很可能導(dǎo)致楔片組斷裂。張裂孔距凌空面一般設(shè)置為0.5～0.8 m，現(xiàn)場可根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)、硬度等巖性特點(diǎn)適當(dāng)調(diào)整距離。在十七貫眼工作面掘進(jìn)時(shí)，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(wěn)定的9#煤層，下部有10#煤層，隨著工作面延深迎頭上部會(huì)變?yōu)楹穸?.0～2.6 m 較穩(wěn)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(jī)等設(shè)備按照張裂孔布置示意圖（如圖3、圖4 所示）在巖石上設(shè)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(jì)算，孔深設(shè)置0.6 m 左右為宜。根據(jù)巖石的密度、強(qiáng)度和現(xiàn)場實(shí)際確認(rèn)張裂孔孔距，先按0.5 m 布置一排孔距進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，先將高壓油管連接好分裂槍和液壓泵站，工作區(qū)域內(nèi)嚴(yán)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(shù)值，如果壓力達(dá)到60 MPa 或穩(wěn)定到60 MPa，巖層仍未被分裂則應(yīng)立即停止分裂，適當(dāng)縮小孔距重新嘗試；如果壓力遠(yuǎn)不到60 MPa 巖層即被輕易分裂，則應(yīng)適當(dāng)增大孔距重新嘗試，以充分發(fā)揮張裂設(shè)備的性能，提高作業(yè)效率。反復(fù)嘗試多次后選擇最合理的孔距。每排孔軸線應(yīng)在一個(gè)平面上。鉆孔應(yīng)盡量垂直迎頭，盡量避免斜孔作業(yè)。設(shè)置好孔距并按最合理的孔距施工分裂孔后，進(jìn)行張裂機(jī)破巖。張裂機(jī)開機(jī)前將液壓油注入液壓油箱，以加至油箱蓋為準(zhǔn)。在張裂槍的動(dòng)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(tǒng)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(dòng)機(jī)開關(guān)，操作泵站換向閥至加壓（出油）位置使動(dòng)力頭伸出后，變換換向閥位置使動(dòng)力頭收回，連續(xù)空載運(yùn)行兩次后，將槍頭放入提前施工好的張裂孔中進(jìn)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(jìn)行逐排（層）破巖。中間部分破巖結(jié)束后，再在兩幫各施工一排張裂孔，進(jìn)行幫部巖石張裂。

圖3 迎頭上部和下部為煤時(shí)張裂孔布置示意圖（mm）

圖4 迎頭上部為煤時(shí)張裂孔布置示意圖（mm）

4 巖石張裂后的現(xiàn)場情況分析

東四延深十七貫眼掘進(jìn)工作面使用液壓張裂掘進(jìn)法進(jìn)行半煤巖巷和含煤巖巷掘進(jìn)，巷道設(shè)計(jì)40 m，總用時(shí)10 d，平均日進(jìn)尺4 m，現(xiàn)場應(yīng)用效果與傳統(tǒng)的掘進(jìn)方法進(jìn)行比較分析如下：

1）單進(jìn)方面。單進(jìn)水平是衡量掘進(jìn)效率的重要指標(biāo)。使用液壓張裂掘進(jìn)法平均日進(jìn)尺4 m，合計(jì)100 m/月，較傳統(tǒng)的炮掘法（單進(jìn)約80 m/月）單進(jìn)水平提高了25%，單進(jìn)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(jìn)法巖體破碎后所形成的周邊穩(wěn)定性較好。巷道凈寬要求4600 mm，寬度誤差要求為0～100 mm，現(xiàn)場在幫部隨機(jī)選取5 處進(jìn)行測試，實(shí)測幫部距正中線數(shù)據(jù)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(wǎng)（索）、錨噴、鋼架噴射混凝土巷道有中線的0～100 mm”的規(guī)定，巷道成型較好。

3）現(xiàn)場方面。傳統(tǒng)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(jìn)法破碎巖體后所形成的渣塊直徑較小，現(xiàn)場大塊矸石直徑約200 mm，更易于輸送帶運(yùn)出工作面。

4）生產(chǎn)組織方面。傳統(tǒng)的炮掘法或綜掘法需要對扒煤機(jī)、綜掘機(jī)等大型設(shè)備進(jìn)行定期檢修，且受運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)影響較大，即后配套的系統(tǒng)皮帶停機(jī)狀態(tài)下很難進(jìn)行生產(chǎn)，一般采用“三·八”制工作方式，即一班檢修，兩班生產(chǎn)。由于液壓張裂掘進(jìn)法主要的設(shè)備張裂機(jī)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(yǎng)和專門騰出時(shí)間進(jìn)行檢修，所以液壓張裂掘進(jìn)法可實(shí)現(xiàn)“三班生產(chǎn)”，相對來說有更充分的生產(chǎn)時(shí)間，工時(shí)利用率較高，生產(chǎn)組織方式也更加靈活多變。

5）其他方面。液壓張裂掘進(jìn)法主要的設(shè)備張裂機(jī)及液壓泵站等非常輕便，設(shè)計(jì)輕巧，移動(dòng)方便，工藝操作簡單，整套設(shè)備可由兩到三人同時(shí)操作即可完成作業(yè)，且一般從業(yè)人員經(jīng)過極短時(shí)間的培訓(xùn)就可以完全操作，在較短巷道內(nèi)操作避免了綜掘法在狹小空間難以發(fā)揮機(jī)械作用的弊端，可適用于較復(fù)雜的環(huán)境，在現(xiàn)場操作過程中極少產(chǎn)生震動(dòng)、噪音、粉塵等職業(yè)病因素。傳統(tǒng)的綜掘法在巷道開口、小斷面掘進(jìn)等情況下拐彎困難，掘進(jìn)緩慢，安裝、拆解等工序繁瑣，操作過程中會(huì)產(chǎn)生噪音、粉塵等危險(xiǎn)隱患。

5 結(jié)語

液壓張裂掘進(jìn)法運(yùn)用液壓機(jī)械方式對半煤巖巷或含煤巖巷斷面進(jìn)行張裂，是一種能有效碎裂堅(jiān)硬巖石的創(chuàng)新工藝，在礦山開采及巷道掘進(jìn)工程中不能使用炸藥和狹小空間難以使用大型機(jī)械的情況下破碎巖石具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。一是安全性，液壓張裂掘進(jìn)法不像爆破和其他沖擊性設(shè)備有一定的危險(xiǎn)隱患，是一種在靜態(tài)液壓環(huán)境下可控制性的工作，安全隱患較小，現(xiàn)場需要采取的安全措施也相對簡單；二是環(huán)保性，使用液壓張裂掘進(jìn)法期間，職工受到震動(dòng)、沖擊、噪音、粉塵等因素影響較小，對周圍環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生太大影響，在現(xiàn)場操作過程中極少產(chǎn)生震動(dòng)、噪音、粉塵等職業(yè)病因素；三是精確性，使用液壓張裂掘進(jìn)法時(shí)，張裂機(jī)可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際預(yù)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(jìn)法主要的設(shè)備張裂機(jī)及液壓泵站等幾乎無需保養(yǎng)和專門騰出時(shí)間來進(jìn)行檢修，可實(shí)現(xiàn)“三班生產(chǎn)”，有更充分的生產(chǎn)時(shí)間，工時(shí)利用率更高，生產(chǎn)組織方式也更加靈活多變；五是適用性，液壓張裂掘進(jìn)法的主要配備工具張裂槍和液壓泵站使用方法簡單易學(xué)，職工技能培訓(xùn)簡單易學(xué)，設(shè)備搬運(yùn)方便，更適用于巷道開口、拐彎等狹小空間。

液壓張裂掘進(jìn)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(shè)計(jì)長度較短的巷道時(shí)更經(jīng)濟(jì)、更高效、更實(shí)用。但在操作前必須人工創(chuàng)造一定的凌空面或自由面，對于如何降低人工創(chuàng)造自由面這一過程的工作量和與巖石硬度之間的關(guān)系，還需進(jìn)一步進(jìn)行研究。