一种硬岩巷道掘进方法与流程

本发明实施例涉及煤矿开采技术领域，尤其涉及一种硬岩巷道掘进方法。

背景技术：

随着煤矿巷道支护技术越来越成熟，以及基于建设绿色矿山的指导思想，很多煤矿的开拓巷道、准备巷道和回采巷道基本上都在煤层中掘进，以减少矸石上井和避免环境污染，同时掘进出煤能够维持巷道掘进的费用，为矿井的安全、高效发展提高保障。

然而很多矿井由于地质构造或者生产的需要，难免要在岩石、甚至完整性比较好的坚硬岩石中进行巷道的掘进。

目前对硬岩巷道的掘进主要采用放炮掘进和综掘机掘进。放炮掘进安全系数较低、出矸困难，且对光面爆破技术要求高，巷道断面成型差，尤其放炮震动容易引起次生地质灾害，对巷道迎头的支护也产生损伤。基于此，一般首选综掘机掘进。但是有些岩体完整性好、岩石强度高，即使用大功率的综掘机掘进都很困难，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。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种硬岩巷道掘进方法，用以解决现有技术中利用综掘机对岩体完整性较好的硬岩巷道进行掘进时，掘进速度缓慢、掘进机的截齿磨损严重和掘进头岩粉浓度高的问题。

本发明实施例提供一种硬岩巷道掘进方法，包括：

在巷道断面的中心沿巷道的轴向打设中心综合孔；

在所述中心综合孔与所述巷道的断面线之间沿所述巷道的轴向打设多个压裂孔；

根据所述压裂孔的分布，在巷道的断面线上沿所述巷道的轴向打设多个探测孔，所述探测孔的深度不小于所述中心综合孔的深度；

分别对所述中心综合孔的的压裂段和所述压裂孔的压裂段进行水力压裂；其中，对距离某一探测孔最近的所述压裂孔进行水力压裂时，若所述某一探测孔有水流出，则停止对所述压裂孔的压裂段进行水力压裂。

根据本发明一个实施例的硬岩巷道掘进方法，所述在巷道断面的中心沿巷道的轴向打设中心综合孔之后，还包括：

对所述中心综合孔的内部岩体进行结构窥视和抗拉强度原位测试；

根据所述结构窥视和抗拉强度原位测试的结果以及所述巷道断面的大小，确定所述中心综合孔的压裂段的位置和所述压裂孔的压裂段的位置、所述压裂孔的数量和间距以及所述中心综合孔的压裂段和所述压裂孔的压裂段对应的压裂参数。

根据本发明一个实施例的硬岩巷道掘进方法，所述分别对所述中心综合孔的压裂段和所述压裂孔的压裂段进行水力压裂，具体包括：

将连接有高压注水管和高压胶管的封孔器分别推进到所述中心综合孔的压裂段和所述压裂孔的压裂段；

将高压注水泵与所述高压胶管连接，对所述封孔器进行加压，直至完成对所述中心综合孔的压裂段和压裂孔的压裂段的封孔；

将所述高压注水泵与所述高压注水管连接，对所述封孔器的封隔空间进行加压注水，直至完成对所述中心综合孔的压裂段和所述压裂孔的压裂段的岩石的压裂。

根据本发明一个实施例的硬岩巷道掘进方法，对所述中心综合孔的压裂段进行水力压裂时，所述对所述封孔器的封隔空间进行加压注水还包括：

当所述封隔空间内的水压达到预设压力时，在所述预设压力下保压一预设时间段，完成对所述中心综合孔的压裂段的岩石的压裂。

根据本发明一个实施例的硬岩巷道掘进方法，多个所述中心综合孔的压裂段和多个所述压裂孔的压裂段沿所述巷道的轴向分布。

根据本发明一个实施例的硬岩巷道掘进方法，沿所述巷道的轴向由远及近地对多个所述中心综合孔的压裂段和多个所述压裂孔的压裂段进行水力压裂。

根据本发明一个实施例的硬岩巷道掘进方法，多个所述中心综合孔的压裂段沿所述巷道的轴向等间距分布。

根据本发明一个实施例的硬岩巷道水力压裂方法，多个所述压裂孔的压裂段与多个所述中心综合孔的压裂段沿所述巷道的轴向一一对应。

根据本发明一个实施例的硬岩巷道掘进方法，所述压裂孔的直径与所述中心综合孔的直径相同。

根据本发明一个实施例的硬岩巷道掘进方法，还包括：所述中心综合孔和全部所述压裂孔完成压裂之后，对所述探测孔进行结构窥视，根据所述探测孔内的压裂裂纹扩展情况以及出水情况调整所述压裂孔的数量和间距，和/或所述压裂孔的压裂段的压裂参数。

本发明实施例提供的硬沿巷道掘进方法，通过在坚硬岩石巷道断面上布置中心综合孔、多个压裂孔和多个探测孔，并分别对中心综合孔和多个压裂孔进行水力压裂，实现对坚硬岩体的水力压裂，能够有效的降低岩体的完整性和强度，降低掘进机掘进的难度，提高掘进速度，降低掘进机截齿的消耗量，降低掘进产生的岩尘浓度；通过在巷道断面线上设置多个探测孔，避免了对压裂孔进行水力压裂时，对巷道周围支护岩体结构造成的破坏，巷道断面成型好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例硬岩巷道掘进方法的流程示意图；

图2是本发明实施例巷道钻孔布置正视图；

图3是本发明实施例巷道钻孔布置俯视图；

图4是本发明实施例中心综合孔水力压裂的示意图。

附图标记：

1、中心综合孔；11、中心综合孔的压裂段；2、巷道断面线；21、支护岩体；22、掘进岩体；3、压裂孔；4、探测孔；51、高压注水管；52、高压胶管；53、封孔器；54、高压注水泵；55、压裂截止阀；56、封孔截止阀；57、出水口；58、封隔空间。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1-图4描述本发明实施例的硬岩巷道掘进方法。

如图1所示为本发明实施例硬岩巷道掘进方法的流程示意图。该硬岩巷道掘进方法包括步骤：

步骤s100，在巷道断面的中心沿巷道的轴向打设中心综合孔1。

如图2所示为本发明实施例巷道钻孔布置正视图，如图3所示为本发明实施例巷道钻孔布置俯视图。巷道断面为在预掘进巷道的掘进方向上的横截面，如图2中箭头所示为巷道的掘进方向。巷道断面线2所围成的区域为即为巷道断面。巷道的断面线的左侧、右侧和上侧的岩体为支护岩体21，巷道的断面线内测的岩体为掘进岩体22。巷道断面的中心即为巷道断面线2所围成的形状的几何中心，利用钻机的钻头在该几何中心打设中心综合孔1。中心综合孔1的深度可根据实际工程周期确定，例如按每周或每月计划掘进的深度作为中心综合孔1的深度。待本周期的巷道掘进完成之后再进行下一周期的巷道的水力压裂。

步骤s200，在中心综合孔1与巷道断面线2之间沿巷道的轴向打设多个压裂孔3。

具体的，以中心综合孔1为中心，以巷道断面线2为边界，在巷道断面上打设多个压裂孔3。压裂孔3的数量和间距可根据巷道断面的形状和大小确定，也可结合巷道断面的岩体结构和分布来确定；若中心综合孔1的深度比较长，则还可结合中心综合孔1轴向上的岩体结构和分布来确定。如图2所示，中心综合孔1的周围分布有四个压裂孔。

步骤s300，根据压裂孔3的分布，在巷道断面线2上沿巷道的轴向打设多个探测孔4，探测孔4的深度不小于中心综合孔1的深度。如图2所示，在巷道断面线2上打设多个探测孔4，即探测孔4打在支护岩体21和掘进岩体22的交界处。其中，探测孔4在巷道断面线2上的排布根据压裂孔3的排布确定。如压裂孔3排布间隔较小、数量较多，则探测孔4的排布间隔也相对较小、数量较多；反之，则探测孔4的排布间隔相对较大、数量较少。

步骤s400，分别对中心综合孔1的中心综合孔的压裂段11和压裂孔3的压裂孔的压裂段进行水力压裂；其中，对距离某一探测孔最近的压裂孔3进行水力压裂时，若该某一探测孔有水流出，则停止对压裂孔的压裂段进行水力压裂。也就是说，在对距离某一探测孔4最近的压裂孔3进行水力压裂时，以该某一探测孔4有水流出作为停止对压裂孔的压裂段进行水力压裂的标准。其中，中心综合孔的压裂段11和压裂孔的压裂段分别为中心综合孔1和压裂孔3的预压裂位置。

通过高压水使中心综合孔1和压裂孔3的周围产生裂纹，裂纹在掘进岩体中扩展而破坏掘进岩体的完整性，弱化岩体的强度，同时大量的压裂水存在于掘进岩体中，可减少综掘机掘进时的岩尘。压裂水缓慢浸入掘进岩体的微裂隙，可与岩体内的亲水成分产生微化反应，会进一步对岩体的强度产生弱化作用。另外，可以根据掘进岩体的化学成分，在压裂水中添加易与岩体发生反应的化学试剂，以加快岩体的弱化速度和程度。

步骤s500，中心综合孔1和所有的压裂孔3均完成水力压裂之后，再利用综掘机掘进。压裂长度掘完之后，进行下一个循环的压裂。

其中，在对距离某一探测孔4最近的压裂孔3进行水力压裂时，以该某一探测孔4有水流出作为停止对压裂孔的压裂段进行水力压裂的标准。当该某一探测孔4有水流出时，说明该压裂孔的压裂段的压裂裂纹已扩展到巷道断面线2处，此时停止对压裂孔的压裂段的水力压裂，以防止高压水产生的裂纹扩展到支护岩体21中，从而破坏支护岩体21的结构、弱化支护岩体21的强度，造成巷道支护困难。

本发明实施例提供的硬沿巷道掘进方法，通过在坚硬岩石巷道断面上布置中心综合孔1和多个压裂孔3，并分别对中心综合孔1和多个压裂孔3进行水力压裂，实现对掘进岩体的水力压裂，能够有效的降低岩体的完整性和强度，降低掘进机掘进的难度，提高掘进速度，降低掘进机截齿的消耗量，降低掘进产生的岩尘浓度；通过在巷道断面线上设置多个探测孔，避免了对压裂孔进行水力压裂时，对巷道周围支护岩体结构造成的破坏，巷道断面成型好。

本发明实施例中，在巷道断面的中心沿巷道的轴向打设中心综合孔1之后还包括步骤：

步骤s101，对中心综合孔1的内部岩体进行结构窥视和抗拉强度原位测试。设中心综合孔1打设完成之后，利用钻孔窥视仪对其内部的岩体进行窥视，测定沿巷道轴向上的岩体结构及其破坏情况。还可结合探底雷达对岩体结构进行联合测定。利用原位测试仪对中心综合孔1内的岩体进行抗拉强度原位测试。

步骤s102，根据结构窥视和抗拉强度原位测试的结果以及巷道断面的大小，确定中心综合孔的压裂段11的位置和压裂孔的压裂段的位置、压裂孔的数量和间距以及中心综合孔的压裂段11和压裂孔的压裂段分别对应的压裂参数。具体的，根据结构窥视结果将中心综合孔的压裂段设置在具有完整坚硬岩体的位置，在没有岩体的位置如煤层段或者岩石较碎的位置则不需要进行压裂。根据结构窥视结果和抗拉强度原位测试结果，综合确定在巷道断面上需要布置的压裂孔3的数量和间距以及中心综合孔的压裂段11的压裂参数。压裂孔的压裂段的位置和压裂孔的压裂段的压裂参数则根据压裂孔3与中心综合孔1的直径比例关系、中心综合孔的压裂段的压裂参数以及结构窥视和抗拉强度原位测试结果确定。

为了方便计算和操作，本发明实施例中，压裂孔的压裂段在压裂孔3内的位置与中心综合孔的压裂段在中心综合孔1内的位置相对应，具体的，当中心综合孔的压裂段11和压裂孔的压裂段均只有一个时，压裂孔的压裂段设置在中心综合孔的压裂段11的径向方向上；当中心综合孔的压裂段11为多个时，相应的压裂孔的压裂段也为多个且在压裂孔3中的排布方式与中心综合孔的压裂段11在中心综合孔1中的排布方式相同，即多个压裂孔的压裂段与多个中心综合孔的压裂段11沿巷道的轴向一一对应。和/或，压裂孔3的直径与中心综合孔1的直径相同。

若经过对中心综合孔1的结构窥视后，发现整个巷道都位于一个完整的岩体当中，则按设定步距，沿整个巷道的轴向等间距分布多个中心综合孔的压裂段11。该设定步距根据对中心综合孔1的抗拉强度原位测试结果确定，例如15m。

为了不断优化对巷道水力压裂的效果，本发明实施例中，中心综合孔1和全部的压裂孔3完成压裂之后，对探测孔4进行结构窥视，根据探测孔4内的压裂裂纹扩展情况以及出水情况调整压裂孔3的数量和间距，和/或压裂孔的压裂段的压裂参数。例如，当对探测孔4进行结构窥视后，发现压裂孔3的压裂裂纹扩展不充分，仍有大块岩石没有被完全压裂，则可适当增加压裂孔3的数量和减小压裂孔3的间距；和/或，调整压裂孔的压裂段的压裂参数，使压裂孔3周围岩石的压裂裂纹能够得到充分扩展。相反，当对探测孔4进行结构窥视后，发现压裂孔3的压裂裂纹扩展到巷道断面之外，则适当减少压裂孔3的数量或增大压裂孔3的间距；和/或，调整压裂孔的压裂段的压裂参数，使压裂孔3周围岩石的压裂裂纹的范围缩至巷道断面以内。在下一周期的水力压裂中，采用调整后的压裂孔3的数量和间距，或者调整后的压裂孔的压裂段的压裂参数。

如图4所示为本发明实施例中心综合孔水力压裂的示意图。本发明实施例中，对中心综合孔1的中心综合孔的压裂段11进行水力压裂，具体包括步骤：

步骤s401，将连接有高压注水管51和高压胶管52的封孔器53推进到中心综合孔的压裂段11；

步骤s402，将高压注水泵54与高压胶管52连接，对封孔器53进行加压，直至完成对所述中心综合孔的压裂段11的封孔；

步骤s403，将高压注水泵54与高压注水管51连接，对封孔器53的封隔空间进行加压注水，直至完成对中心综合孔的压裂段11的岩石的压裂。

本发明实施例中，采用封隔式封孔器对中心综合孔1和压裂孔3进行封孔。该封隔式封孔器包括受内压可膨胀的两个弹性膜、高压注水管51以及弹性膜膨胀介质通道(即高压胶管)，高压注水管51贯穿两个弹性膜并与高压注水泵54连接，高压胶管52也贯穿两个弹性膜并与高压注水泵54连接。高压注水泵54与高压注水管51之间的连通管路上设置有压裂截止阀55，高压注水泵54与高压胶管52之间的连通管路上设置有封孔截止阀56。位于两个弹性膜之间的注水管段为分隔段，其开设有出水口57，其中，高压注水管51采用刚合金等具有高刚度和高强度的材料制成。由于液体具有不可压缩性，可有效保持外压，因此本发明实施例采用液体作为膨胀介质，以保持较高的外牙以及保证膨胀作业的有效进行。

对中心综合孔1进行水力压裂时，首先利用高压注水管51在高压注水泵54提供的水压作用下，将封孔器53推送到中心综合孔的压裂段11，使中心综合孔的压裂段11位于封孔器53的两端弹性膜之间；然后，关闭压裂截止阀55，打开高压注水泵54和封孔截止阀56，高压注水泵54产生的压力从高压胶管52传导到封孔器53内，封孔器53在压力作用下膨胀，直至完成封孔；再然后，关闭封孔截止阀56，打开压裂截止阀55，高压水通过高压注水管51进入封孔器53的两个弹性膜之间的管道中，并从该管道上的出水口57流出，对封孔器53的封隔空间58内持续加压注水，直至压裂该中心综合孔的压裂段周围的完整岩体。完成压裂之后关停高压注水泵54并对封孔器53卸压，封孔器53回缩为原始直径，一次压裂工序完成。

为了提高巷道的掘进效率，本发明实施例中，将中心综合孔1和压裂孔3的深度设置得较长，需要多次水力压裂才能完成整个中心综合孔1和整个压裂孔3周围岩石的压裂。因此，本发明实施例中，沿巷道的轴向分布有多个中心综合孔的压裂段11和多个压裂孔的压裂段。例如，每月计划掘进巷道的深度为100m，且设定中心综合孔1的深度也为100m，相应的，压裂孔3的深度不小于100m。根据对这100m范围内的中心综合孔1的结构窥视结果，判断哪些位置存在完整性硬岩，在具有完整性硬沿的位置设置中心综合孔的压裂段11。其中，若完整性硬岩的长度超过30m，则在该段完整性硬岩段以15m的步距设定至少两个中心综合孔的压裂段11。相应的，压裂孔3内也设置多个压裂孔的压裂段。

若中心综合孔1内有多个中心综合孔的压裂段11，为了避免压裂过程中岩石塌落而影响封孔器53退出和下一个压裂工序地正常进行，本发明实施例以回退的方式进行封孔和压裂，即从中心综合孔1地内部向外、由远及近地依次压裂多个中心综合孔的压裂段11，直至完成所有中心综合孔的压裂段11的压裂。同样地，若压裂孔3有多个压裂孔的压裂段，同样以回退地方式，从压裂孔3内部向外、由远及近地依次压裂多个压裂孔的压裂段，直至完成所有压裂孔的压裂段地压裂。其中，压裂孔的压裂段在压裂孔3内的排布方式与中心综合孔的压裂段11在中心综合孔1内的排布方式相同。

其中，为了让中心综合孔1周围的压裂裂纹得到充分发展，在对中心综合孔1的中心综合孔的压裂段11进行水力压裂时，对封孔器53的封隔空间58进行加压注水还包括：当封隔空间58内的水压达到预设压力时，在该预设压力下保压一预设时间段，完成对中心综合孔的压裂段11的岩石的压裂。其中，预设压力和预设时间段根据上述对中心综合孔1内的结构窥视结果和抗拉强度测试结果来确定。

对压裂孔3的压裂孔的压裂段进行水力压裂包括步骤：

步骤s404，将连接有高压注水管51和高压胶管52的封孔器53推进到压裂孔的压裂段；

步骤s405，将高压注水泵54与高压胶管52连接，对封孔器53进行加压，直至完成对所述压裂孔的压裂段的封孔；

步骤s406，将高压注水泵54与高压注水管51连接，对封孔器53的封隔空间进行加压注水，直至完成对压裂孔的压裂段的岩石的压裂。

需要说明的是，对压裂孔3的水力压裂方式与对中心综合孔1的水力压裂的操作方法相同，可参见上述对中心综合孔1的水力压裂操作步骤，在此不在赘述。

压裂孔3的水力压裂可以与中心综合孔1的水力压裂同时进行，也可以分开进行。本发明实施例中，对中心综合孔1压裂完成之后再进行压裂孔3的压裂，且对中心综合孔1进水水力压裂时，设定的压裂参数要保证不会破坏其周围的压裂孔3，以保证对压裂孔3进行压裂时，封孔器53能够正常进入压裂孔的压裂段，从而不影响对压裂孔3的压裂。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。