CN115306400A - 一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及巷道掘进施工技术领域，公开了一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，包括以下步骤：步骤1：进行现场实测，并计算水力压裂半径；依据水力压裂半径在掘进工作面上确定单组H类钻孔点；步骤2：进行现场实测以获取极限平衡区计算参数；计算极限平衡区深度并确定钻孔深度和钻孔直径；步骤3：按照确定的钻孔深度和钻孔直径在单组H类钻孔点处钻孔，得到压裂孔；步骤4：对步骤3中完成的压裂孔进行开槽切缝；步骤5：对开槽切缝处理后的压裂孔进行水力封孔处理；步骤6：采用后退式压裂法，通过压裂孔对待掘进岩体进行水力压裂。本发明可用来解决目前硬岩巷道掘进效率低，掘进设备截齿损耗高的技术问题，掘进效率较高，掘进效果较好。

Description

一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法

技术领域

本发明涉及巷道掘进施工技术领域，具体涉及一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法。

背景技术

掘进与回采是煤矿生产的两个关键环节。而安全、快速、高效的巷道掘进与支护技术是保证矿井实现高产、高效的必要条件。具体地，巷道掘进是指在煤(岩)体中采用一定的破岩手段将部分岩体破碎下来，形成一定的空间，接着对这个空间进行支护的工作。在矿井生产中，常用的岩巷掘进方法包括钻眼爆破法、综合机械化掘进法和工作面松动爆破法等。

采用上述方法能够有效完成巷道掘进，但是受其运作原理等限制，上述方法在硬岩巷道掘进中有局限性，掘进效率较低，器械损耗高，存在较多不足。在各类爆破法中，掘进工作面的松动爆破工序转换复杂，钻孔工序复杂且耗时较长，循环进尺小，掘进效率难以提高；并且，在工作面位置实施爆破预裂时，产生的岩石碎块有可能在爆破冲击波的作用下对工作面设备造成损伤；安全系数较低。而在综合机械化掘进法中，在处理完整性好、强度高的岩体时，即使采用大功率的综掘机掘进也十分困难，掘进速度缓慢，同时对掘进机的截齿磨损严重，掘进头岩粉浓度高，易影响后续矿井的正常生产工作。

此外，还有的一种水力压裂技术，通过在待掘进岩体中注入高压水的方式制造出人造裂隙，再由水压力作用使得待掘进岩体裂隙起裂和发育，能够有效弱化岩体。近年来，随着水力压裂技术与理论的发展，该技术被广泛应用于煤矿开采领域，以用来破坏煤矿工作面坚硬顶板、进行巷道掘进等。但应用水力压裂技术进行巷道掘进，对待掘进岩体进行预处理、提升硬岩岩巷掘进效率的研究目前尚处于初始阶段，许多基本的理论、工艺与技术装备等问题尚待深入研究。

发明内容

本发明意在提供一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，用来解决目前硬岩巷道掘进效率低，掘进设备截齿损耗高的技术问题，能够有效应用水力压裂技术实现巷道快掘，掘进效率较高，掘进效果较好。

本发明提供的基础方案为：一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，包括以下步骤：

步骤1：进行现场实测，并计算水力压裂半径；依据水力压裂半径在掘进工作面上确定单组H类钻孔点；所述单组H类钻孔点设有三个，包括一号钻孔点、二号钻孔点和三号钻孔点；其中，一号钻孔点和二号钻孔点均处于第一布孔线上，三号钻孔点处于一号钻孔点与二号钻孔点连线的中轴线上且处于第二布孔线上；且所述第一布孔线与巷道顶板相隔第一预设距离；所述第二布孔线与巷道底板相隔第一预设距离；所述中轴线与巷道断面中轴线重合；

步骤2：进行现场实测以获取极限平衡区计算参数；根据极限平衡区计算参数，计算极限平衡区深度并确定钻孔深度和钻孔直径；

步骤3：按照确定的钻孔深度和钻孔直径在单组H类钻孔点处钻孔，得到压裂孔；

步骤4：对步骤3中完成的压裂孔进行开槽切缝；

步骤5：对开槽切缝处理后的压裂孔进行水力封孔处理；

步骤6：采用后退式压裂法，通过压裂孔对待掘进岩体进行水力压裂。

本发明的工作原理及优点在于：通过在巷道断面上设置压裂孔，并通过压裂孔进行水力压裂，由水压力作用使得待掘进岩体裂隙起裂和发育，完成对待掘进岩体的弱化。采用本方法处理后的岩体的整体力学性能可大幅降低，其可切割性相应大幅增加，进而可提高掘进设备对待掘进岩体的截割效率并减少掘进设备截齿损耗，整体掘进效率较高，掘进效果较好。并且，本方案中采用水力压裂，相比于爆破式压裂和单纯的机械式压裂，压裂过程更安全，更易控制，且压裂过程中不易产生岩粉，不会对后续工作进程造成影响。

更重要的是，本方案中的钻孔点排布位置特殊，能够助力达到更优的水力压裂效果，进一步提升巷道掘进效率。本方案中的单组H类钻孔点设有三个，且分别设置在巷道断面中轴线两侧及巷道断面中轴线上，且点位分别靠近巷道顶板和巷道底板，三个钻孔点连线构成的面积呈三角形；该三角形恰好处于巷道截面中心位置，后续自该三点对应的压裂孔水力压裂产生的裂隙之间可相互贯通，如相对处于巷道断面上部，即处于第一布孔线上靠近巷道顶板的一号钻孔点和二号钻孔点后续对应产生的裂隙可向下拓展与相对处于巷道断面下部的三号钻孔点后续对应产生的裂隙贯通，形成贯通裂隙，进而通过三个点位的裂隙配合，形成整体性的缝网，使得巷道的中部、底部、顶部均能够得到充分压裂，水力压裂效果更优，相应地，巷道岩体更易被截割，巷道掘进效率更高。

并且，在常规的应用水力压裂的掘进方法中，其往往是沿一条直线单排设置的钻孔点，这种方法在处理普通岩体时表现尚可，但是在处理硬度较高的岩体时，则并不适用。常规方法中每个钻孔点对应的水力压裂半径都设置得较大，其将压裂重点放在了对单个压裂孔的裂隙的延伸上，依靠延伸自一个压裂孔处延伸出的裂隙长度以覆盖巷道岩体断面，这对于普通岩体而言，相对延长压裂时间即可达到要求，但是对更坚硬的岩体而言，岩石强度高，其自一个压裂孔能产生的裂隙的拓展长度其实是受到客观限制的，此时，若仍旧采用常规方法依靠延长压裂时间来达到要求则并不实际。本方案则更多地考虑了岩体本身强度能够实现的裂隙拓展长度，采用相对更小的压裂半径，通过特别的钻孔点位置排布，更多地利用裂隙与裂隙之间的自然地拓展贯通，面对强度高的坚硬岩体也能够达到较好的压裂效果。

进一步，还包括步骤7：停止水力压裂后，按照预设作业规程处理步骤1至步骤5中产生的钻孔废渣及固体废料。

这样设置，按规程及时清理前序步骤产生的废料，可避免废料影响后续操作。

进一步，还包括步骤8：采用综合机械化掘进机，截割待掘进岩体；并观测记录综合机械化掘进机的截割岩体掘进效率和截齿损耗情况，以及掘进过程中的粉尘浓度变化。

这样设置，对掘进机的掘进过程进行观测记录，能够为后续优化掘进技术提供可靠数据参考。

进一步，还包括步骤9：依据水力压裂半径在掘进工作面上确定单组Y类钻孔点；所述单组Y类钻孔点设有三个，包括四号钻孔点、五号钻孔点和六号钻孔点；其中，四号钻孔点和五号钻孔点均处于第二布孔线上，六号钻孔点处于四号钻孔点与五号钻孔点连线的中轴线上且处于第一布孔线上；所述中轴线与巷道断面中轴线重合；并重复执行步骤2-8。

这样设置，步骤9中布置的Y类钻孔点位置与步骤1中布置的H类钻孔点位置存在对应性，在整个巷道掘进中，相比于每次压裂都布置H类钻孔点，采用H类与Y类配合能够更均匀地划分巷道，后续压裂效果更好。

进一步，在步骤1和步骤9中，所述第一预设距离为0.8m；一号钻孔点或四号钻孔点与其中轴线的距离均为2.5m。

这样设置，钻孔点与钻孔点之间，钻孔点与巷道顶板或巷道底板之间的距离设置适中，可保证后续自压裂孔延伸出的压裂裂隙处于待掘进巷道区域内且分布均匀。

进一步，在步骤5中，水力封孔时采用水力膨胀式高压封孔器进行封孔处理。

这样设置，水力膨胀式高压封孔器结构相对简单，运作有效，封孔效果较好。

进一步，在步骤6中，水力压裂时间大于30min。

这样设置，为岩体内的裂隙发育提供了充分的时间，保证水力压裂程度达标，以便于后续快速掘进岩体。

进一步，在步骤6中，当检测到岩体压力表指数产生降低且降低幅度超度压降阈值时，或，在掘进工作面施工现场听到待掘岩体产生清脆断裂声时，停止水力压裂；在掘进工作面出现漏水且水量超过漏水阈值时，停止水力压裂。

这样设置，依据压降情况、岩体声音情况或漏水量情况，本方案从不同维度对水力压裂程度进行判定并对应安排停止水力压裂，对水力压裂的时间控制更准确，在保证岩体裂隙充分发育的同时，能够减少多余的压裂时间浪费，有助于提升水力压裂效率。

进一步，在步骤1中，计算水力压裂半径时采用下式计算：

其中，R为水力压裂半径；Q为泵注流量；t为泵注时间；E为弹性模量；σ为缝内液压力；h为裂隙缝高。

这样设置，水力压裂半径依据实际的施工现场条件确认按一定公式确认，便于准确确认合适的水力压裂区域范围，以便于排布钻孔点。

进一步，在步骤2中，计算极限平衡区深度时采用下式计算：

其中，X₁为极限平衡区深度；K为应力集中系数；f为软分层摩擦系数；m为软分层厚度；γ为掘进工作面上覆岩层的平均密度；δ为岩石抗拉强度；H为掘进工作面上覆岩层的埋深，即为待掘进岩块所在位置距地表的距离。

这样设置，极限平衡区深度值确认准确。在实际施工过程中，为保证施工安全，水力压裂深度应在极限平衡区内，即封孔深度应大于极限平衡区深度，有助于防止或减少压裂时掘进工作面渗水情况。准确的极限平衡区深度值有助于保证施工安全。

附图说明

图1为本发明一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法实施例的方法流程示意图；

图2为本发明一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法实施例的H类钻孔点布置示意图；

图3为本发明一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法实施例的Y类钻孔点布置示意图；

图4为本发明一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法实施例的钻孔裂隙拓展示意图；

图5为本发明一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法实施例的水力压裂装置布置示意图；

图6为本发明一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法实施例的封孔器的设置位置示意图；

图7为本发明一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法实施例的掘进机截齿截割破碎岩体示意图；

图8为本发明一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法实施例的在压裂期间掘进破岩效率变化曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例基本如附图1所示：一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，包括以下步骤：

步骤1：进行现场实测，并计算水力压裂半径；依据水力压裂半径在掘进工作面上确定单组H类钻孔点。

具体地，在巷道断面敲帮问顶，并进行临时支护，在确认掘进工作面围岩稳定后，进行现场实测。此处的敲帮问顶是指在正式作业开始前，用撬棍、钢钎或镐等敲击巷道、工作面顶板及侧帮，根据发出的声响发现浮石、剥层的方法。在发现有浮石、剥层后，于安全处将其撬下。

完成现场实测后，计算水力压裂半径。且在计算时采用下式计算，另，步骤1中的现场实测项目具体包括以下公式中所需的参数项目，包括泵注流量、缝内液压力、裂隙缝高等，现场实测时采用常规工业测量器具进行测量：

其中，R为水力压裂半径；Q为泵注流量；t为泵注时间；E为弹性模量；σ为缝内液压力；h为裂隙缝高。

为便于理解，本实施例中采用具体数值举例说明。本实施例中计算得到的水力压裂半径R为2m，并依据此水力压裂半径在掘进工作面上布置单组H类钻孔点，

其中，如附图2所示，所述单组H类钻孔点设有三个，包括一号钻孔点、二号钻孔点和三号钻孔点；其中，一号钻孔点和二号钻孔点均处于第一布孔线上，三号钻孔点处于一号钻孔点与二号钻孔点连线的中轴线上且处于第二布孔线上；且所述第一布孔线与巷道顶板相隔第一预设距离；所述第二布孔线与巷道底板相隔第一预设距离；所述中轴线与巷道断面中轴线重合。其中，所述第一预设距离为0.8m；一号钻孔点与其中轴线的距离为2.5m。

步骤2：进行现场实测以获取极限平衡区计算参数；根据极限平衡区计算参数，计算极限平衡区深度并确定钻孔深度和钻孔直径；

计算极限平衡区深度时采用下式计算，所述极限平衡区计算参数包括下式中所需的参数项目，包括软分层厚度、掘进工作面上覆岩层的平均密度、岩石抗拉强度、掘进工作面上覆岩层的埋深等，现场实测时采用常规工业测量器具进行测量：

其中，X₁为极限平衡区深度；K为应力集中系数；f为软分层摩擦系数；m为软分层厚度；γ为掘进工作面上覆岩层的平均密度；δ为岩石抗拉强度；H为掘进工作面上覆岩层的埋深，即为待掘进岩块所在位置距地表的距离。

本实施例中，f＝0.35；m＝6.2m；K＝1.5；γ＝3000kg/m³；H＝700m；δ＝1.7MPa。计算得到的X₁＝12.4m。并据此确认得到钻孔深度为10m。

本实施例中，钻孔直径设为46mm。

步骤3：按照确定的钻孔深度和钻孔直径在单组H类钻孔点处钻孔，得到压裂孔。

步骤4：对步骤3中完成的压裂孔进行开槽切缝。具体地，采用开槽钻头对压裂孔进行开槽切缝。开槽切缝后，压裂孔内壁存在定向弱面，便于后续进行水力压裂。

步骤5：对开槽切缝处理后的压裂孔进行水力封孔处理。具体地，水力封孔时采用水力膨胀式高压封孔器进行封孔处理。本实施例中，封孔器的设置位置如附图6所示，封孔器设有多个，且间隔一定距离均匀排布，有助于准确控制后续水力压裂时的岩体裂隙拓展方向，保证掘进工作面附近的待掘进岩体能够得到有效压裂。

步骤6：采用后退式压裂法，通过压裂孔对待掘进岩体进行水力压裂。并同步观测待掘进岩体的顶板和底板(即巷道顶板和巷道底板)的渗水状况，在掘进工作面没有出现严重漏水的情况下，水力压裂时间大于30min。

在进行水力压裂时，具体地，采用经滤水系统净化后的清水，由乳化泵对清水加压后再注入压裂孔中，且注水压力大于待掘进岩体的理论最小起裂压力。然后，由高压水对压裂孔内的弱面产生内水压力，使得待掘进岩体中的裂隙定向拓展与发育。其中，水力压裂装置布置如附图5所示，采用水箱和高压泵(即高压乳化泵)，连通高压水管向压裂孔中输送高压水。

在水力压裂过程中，处于巷道断面上部的二号钻孔点和三号钻孔点分别对应的二号压裂孔和三号压裂孔中的水力压裂裂隙会不断拓展，并与处于巷道断面下部的一号钻孔点对应的一号压裂孔中的水力压裂裂隙相贯通，进而形成贯通裂隙；进而通过三个点位的裂隙配合，形成整体性的缝网；能够有效降低岩体力学性能，对于巷道各部位的压裂较为充分，便于后续掘进机进行破岩，便于执行对整个工作面的压裂；裂隙拓展过程如附图4所示。

并且，当检测到岩体压力表指数产生降低且降低幅度超度压降阈值时，或，在掘进工作面施工现场听到待掘岩体产生清脆断裂声时，停止水力压裂；在掘进工作面出现漏水且水量超过漏水阈值时，停止水力压裂。

步骤7：停止水力压裂后，按照预设作业规程处理步骤1至步骤5中产生的钻孔废渣及固体废料。并且，在前序步骤中，由高压注水产生的工作面积水由排水系统进行处理，不可随意排放，避免积水影响后续操作的同时，整体方法运作更为环保。

步骤8：采用综合机械化掘进机，截割待掘进岩体，如附图7所示；并观测记录综合机械化掘进机的截割岩体掘进效率和截齿损耗情况，以及掘进过程中的粉尘浓度变化，这样设置，对掘进机的掘进过程进行观测记录，能够为后续优化掘进技术提供可靠数据参考。例如，观测发现，综合机械化掘进机的截割岩体掘进效率与泵注时间即呈正相关，随着泵注时间增长，掘进效率相应增加，如附图8所示；此处的泵注时间指水力压裂时的高压注水时间。

步骤9：依据水力压裂半径在掘进工作面上确定单组Y类钻孔点；如附图3所示，所述单组Y类钻孔点设有三个，包括四号钻孔点、五号钻孔点和六号钻孔点；其中，四号钻孔点和五号钻孔点均处于第二布孔线上，六号钻孔点处于四号钻孔点与五号钻孔点连线的中轴线上且处于第一布孔线上；所述中轴线与巷道断面中轴线重合。其中，所述第一预设距离为0.8m；一号钻孔点与其中轴线的距离为2.5m。需要特别说明的是，所述Y类钻孔点与H类钻孔点仅排布方式不同，后续针对Y类钻孔点与H类钻孔点执行的钻孔操作、钻孔尺寸(包括孔径、孔深等)、压裂方式均是相同的。

然后，重复执行步骤2-8。完成第二次水力压裂及掘进。在下一次布置水力压裂时，则再按照H类钻孔点布置，即在整个的巷道掘进过程中，H类钻孔点和Y类钻孔点交替布置，二者配合能够更均匀地划分巷道，巷道整体的压裂效果更好。

本实施例提供的一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，能够较好地解决目前硬岩巷道掘进效率低，掘进设备截齿损耗高的技术问题，能够有效应用水力压裂技术实现巷道快掘，掘进效率较高，掘进效果较好。

本方案通过在巷道断面上按照特殊的钻孔点设置方式对应设置压裂孔，并通过压裂孔进行水力压裂，在压裂过程中能够通过三个压裂孔产生的裂隙配合，在巷道断面形成缝网，对巷道顶部、中部、底部实现全面性地充分压裂，完成对待掘进岩体的弱化。处理后的岩体的整体力学性能大幅降低，其可切割性相应大幅增加，进而可提高掘进设备对待掘进岩体的截割效率并减少掘进设备截齿损耗，整体掘进效率较高，掘进效果较好。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：进行现场实测，并计算水力压裂半径；依据水力压裂半径在掘进工作面上确定单组H类钻孔点；所述单组H类钻孔点设有三个，包括一号钻孔点、二号钻孔点和三号钻孔点；其中，一号钻孔点和二号钻孔点均处于第一布孔线上，三号钻孔点处于一号钻孔点与二号钻孔点连线的中轴线上且处于第二布孔线上；且所述第一布孔线与巷道顶板相隔第一预设距离；所述第二布孔线与巷道底板相隔第一预设距离；所述中轴线与巷道断面中轴线重合；

步骤2：进行现场实测以获取极限平衡区计算参数；根据极限平衡区计算参数，计算极限平衡区深度并确定钻孔深度和钻孔直径；

步骤3：按照确定的钻孔深度和钻孔直径在单组H类钻孔点处钻孔，得到压裂孔；

步骤4：对步骤3中完成的压裂孔进行开槽切缝；

步骤5：对开槽切缝处理后的压裂孔进行水力封孔处理；

步骤6：采用后退式压裂法，通过压裂孔对待掘进岩体进行水力压裂。

2.根据权利要求1所述的一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，其特征在于，还包括步骤7：停止水力压裂后，按照预设作业规程处理步骤1至步骤5中产生的钻孔废渣及固体废料。

3.根据权利要求2所述的一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，其特征在于，还包括步骤8：采用综合机械化掘进机，截割待掘进岩体；并观测记录综合机械化掘进机的截割岩体掘进效率和截齿损耗情况，以及掘进过程中的粉尘浓度变化。

4.根据权利要求1所述的一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，其特征在于，还包括步骤9：依据水力压裂半径在掘进工作面上确定单组Y类钻孔点；所述单组Y类钻孔点设有三个，包括四号钻孔点、五号钻孔点和六号钻孔点；其中，四号钻孔点和五号钻孔点均处于第二布孔线上，六号钻孔点处于四号钻孔点与五号钻孔点连线的中轴线上且处于第一布孔线上；所述中轴线与巷道断面中轴线重合；并重复执行步骤2-8。

5.根据权利要求1所述的一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，其特征在于，在步骤1和步骤9中，所述第一预设距离为0.8m；一号钻孔点或四号钻孔点与其中轴线的距离均为2.5m。

6.根据权利要求1所述的一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，其特征在于，在步骤5中，水力封孔时采用水力膨胀式高压封孔器进行封孔处理。

7.根据权利要求6所述的一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，其特征在于，在步骤6中，水力压裂时间大于30min。

8.根据权利要求1所述的一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，其特征在于，在步骤6中，当检测到岩体压力表指数产生降低且降低幅度超度压降阈值时，或，在掘进工作面施工现场听到待掘岩体产生清脆断裂声时，停止水力压裂；在掘进工作面出现漏水且水量超过漏水阈值时，停止水力压裂。

9.根据权利要求1所述的一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，其特征在于，在步骤1中，计算水力压裂半径时采用下式计算：

其中，R为水力压裂半径；Q为泵注流量；t为泵注时间；E为弹性模量；σ为缝内液压力；h为裂隙缝高。

10.根据权利要求1所述的一种基于水压缝网原位改性硬岩切割度的巷道快掘方法，其特征在于，在步骤2中，计算极限平衡区深度时采用下式计算：

其中，X₁为极限平衡区深度；K为应力集中系数；f为软分层摩擦系数；m为软分层厚度；γ为掘进工作面上覆岩层的平均密度；δ为岩石抗拉强度；H为掘进工作面上覆岩层的埋深，即为待掘进岩块所在位置距地表的距离。

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