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采面悬顶治理中静态破碎技术的应用

2022-06-25 130 上传者：管理员

摘要：长平矿井属高瓦斯矿井，悬顶治理对于瓦斯治理具有重要意义。为确保采空区顶板及时垮落，引入静态破碎技术。结合长平矿地质条件，从破碎孔深度、间排距、直径、布置方式等方面入手，制定详细的设计方案，通过钻孔窥视技术进行观测、验证，最终得出合理方案。通过现场实施取得良好效果，采面未发生悬顶超标现象，为类似条件下的安全高效生产提供了借鉴。

关键词：
悬顶治理
采煤工作
采空区顶板
静态破碎
高瓦斯矿井
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随着采煤工作面的推进，采空区顶板垮落不及时进而形成大范围悬顶，而悬顶大面积垮落不仅会造成冲击波，且极易造成瓦斯事故。为降低采煤工作面悬顶带来的危害，通过引进静态破碎致裂技术，对采空区悬顶进行预裂弱化。在钻孔有限空间及围岩制约等因素影响下，静态破碎剂依靠自身长时间的稳定反应，通过膨胀应力持续弱化顶板岩层，使得岩层内部产生张拉破坏并诱发内部裂纹的产生与扩展，直至形成宏观裂隙，达到弱化致裂煤层顶板的目的[1,2,3]。

1、工作面概况

长平煤矿Ⅲ5308重型放顶煤工作面位于3#煤一水平五盘区，地面标高997～1181m，煤层底板标高414～488m，工作面走向长度979.32m，倾斜长度294.2m，煤层总厚度5.94m。

基本顶：中粉砂岩，厚度9.1m，灰白色，中厚层状，石英为主，夹白云母碎片及少量岩屑，泥质胶结，小型交错层理发育，具裂隙，底部夹薄层泥岩；普氏硬度均值7.95，单向抗拉强度均值4.29MPa，单向抗压强度均值79.4MPa，稳定性级别为Ⅱ级。

直接顶：粉砂岩，厚度1.44m，深灰色，中厚层状，水平平行层理，半坚硬，层面含少量植物化石；普氏硬度均值2.29，单向抗拉强度均值2.29MPa，单向抗压强度均值51.14MPa，稳定性级别为Ⅳ级。

2、静态破碎剂概况

静态破碎剂由水合膨胀性物质、水合延缓剂、水硬性物质和减水剂等组成，主要成分为氧化钙（CaO）。水化反应后固相体积增大是胀裂剂产生膨胀压力的根本原因。CaO和H2O反应后，生成的Ca(OH)2固相体积比CaO的固体相体积增大约98%；另外，当固相体积增大时，反应产物固相体积与其分子内部空隙体积增量之和超过反应前物质系统的空间，从而引起反应前后物质体积的增大，产生膨胀压力[4]。现有技术生产的静态胀裂剂，膨胀压力一般在50～80MPa，而岩石抗拉强度大都小于10MPa，因此静态破碎技术能满足煤矿井下处理顶板的需求。

3、静态破碎技术方案

3.1 破碎剂参数

水和胀裂剂的比例为1∶3（水是1、胀裂剂是3），先加水后再加胀裂剂，调成均匀的糊状。常温下，灌浆20～30min后开始产生水化作用，反应时间2～3h后开始产生初始裂纹，6～8h后裂隙不断加大，10～12h后可达总破碎效果的80%以上。

3.2 破碎孔参数

3.2.1 破碎孔深度

根据顶板破碎的要求，破碎孔深度必须超过直接顶厚度，即应不低于1.44m。同时，结合以往预裂爆破的经验，确定破碎孔深度在3～5m，原则上控制在3m。

3.2.2 破碎孔间排距

破碎孔间排距主要受静态破碎剂的作用范围影响，肉眼难以直观确定。最终采用2种方式进行确定：一种采用钻孔窥视仪观察裂隙发育情况；另一种根据现场顶板垮落情况进行判断。为此，在Ⅲ5308工作面3#调车硐室内进行现场试验。具体方案为：施工2组试验孔，每组试验孔包括5个破碎孔（P1至P5和P6至P10）和5个窥视孔（K1至K5和K6至K10），破碎孔间距1000mm，位于同一排2个锚杆之间；窥视孔施工在相应的破碎孔旁，距破碎孔间距分别为100、200、300、400、500mm，窥视孔用以监测破碎剂产生的裂纹扩展情况。具体眼孔布置如图1所示；窥视孔观测效果如图2所示。

试验前，将所有窥视孔（K1至K10）全部窥视确认完好，以减少外界影响。而后，所有破碎孔每孔装药2.5m、封泥0.5m。装药结束24h后开始进行观测，通过2组对比发现，K1至K3、K6至K8等6个孔内均观察到明显纵向裂隙，K4、K5、K9、K10等4个孔未观测到明显裂隙。

通过窥视可知，窥视孔K1和K6距离破碎孔100mm，经破碎后均出现2条明显的纵向裂隙，可知其受破碎剂影响较大；窥视孔K2、K7距离破碎孔200mm，经破碎后靠破碎孔侧各出现一条明显纵向裂隙，表明其受破碎剂影响大。窥视孔K3、K8距离破碎孔300mm，经破碎后靠破碎孔侧均出现一条细微裂隙，说明该裂隙在破碎剂影响范围内。而K4、K5、K9、K10均未观测到裂隙，表明不在破碎剂影响范围内。

综上可知，破碎剂的有效影响半径为300mm。

3.2.3 破碎孔直径

根据试验和现场经验可知，钻孔直径与破岩效果有直接关系，钻孔直径越大，装药量越多，静态胀裂剂反应所提供的膨胀压力越大，破岩效果就越好。但直径超过一定尺度后容易发生喷孔，效果反而降低。钻孔直径一般结合现场钻孔设备机具和破岩要求等因素综合确定。结合长平矿地质资料、钻孔机具施工条件，本方案钻孔直径取42mm。

3.2.4 破碎孔的布置方式

根据经验，自由面越多，静态胀裂技术的单位破岩量就越大，经济效益也越高。现场施工过程中，充分利用锚杆、锚索钻孔作为辅助孔以增加自由面。根据前期试验结果，破碎孔布置在距保护煤柱1m左右的相邻2排锚杆之间，排距0.5m。这样可以充分利空锚杆钻孔的自由面，减小钻孔工程量，如图3所示。

4、施工工艺

按照钻孔→拌药→装药→封孔顺序施工，封孔前必须将钻孔清理干净，孔内不得有水和杂物，每个钻孔封孔长度为0.5m，装药长度为2.5m。

按设计要求封孔结束后，按一定的水与静态胀裂剂质量比配置静态胀裂剂浆液；用机械或手工（用手搅拌要戴橡胶手套）搅拌成具有流动性的均匀浆体，一定要保证胀裂剂完全溶解到水中，搅拌均匀；然后向膜袋内装填胀裂剂浆液。再将膜袋使用16#铁丝进行封口，提高膜袋的刚度。封装完成后装入破碎孔内，使用黏性炮土进行封孔。

5、实施效果

Ⅲ5308工作面推进200m未进行预裂爆破作业，通过退锚和静态破碎相结合的方式有效避免了采面两端头顶板出现悬顶，此后再未发生悬顶超标情况。

6、结论

同等条件下，静态破碎技术具有用人少（每班2人即可）、安全性高、对环境友好等特点，且施工工艺简单、便于操作，对采面悬顶治理具有良好的效果，可在其他类似条件下的采煤工作面推广使用。

参考文献:

[1]黄辉.静态破碎法在高瓦斯矿井巷道端头顶板控制垮落中的应用研究[D].太原:太原理工大学,2014.

[2]张超,林柏泉,周延,等.本煤层深孔定向静态破碎卸压增透技术研究与应用[J].采矿与安全工程学报,2013,30(4)600-604.