靜態破碎技術在綜采過斷層中的應用

桂良玉

（北京中煤礦山工程有限公司，北京100013）

隨著煤礦開采深度的不斷增加，開采環境發生了巨大的變化，煤層的賦存條件也變得越來越復雜。目前，煤礦多采用綜合機械化采煤，當煤層中遇到斷層并出現短距離巖層時，綜采設備無法進行作業，需用其它方法穿過巖層。常規處理方法是先將綜采設備部分拆除或者安全防護，然后進行鉆眼爆破穿過巖層，再將設備重新安裝好。這種方法的缺點：①交替作業時間長；②由于爆破時飛石難以控制，砸壞設備的情況時有發生；③爆破作業易引起瓦斯、煤塵爆炸等事故。

靜態破碎技術，是利用靜態破碎劑 （SCA）水化膨脹后，對孔壁施加徑向壓力破碎巖石，當徑向壓力在孔壁切向上引起的拉應力大于巖石的抗拉強度時，巖石就被破碎。因此，可以在無震動、無沖擊波、無飛石等條件下破碎巖石，具有非常高的安全性。靜態破碎技術在20世紀80年代出現在礦山工程領域。近年來，靜態破碎技術雖然在煤礦設備基礎拆除中應用，但是在綜采過斷層中尚無應用先例。

本文突破靜態破碎劑常規的適用范圍和應用模式，將靜態破碎技術引用到綜采工作面破碎斷層巖石，從而拓展了靜態破碎技術的應用領域和使用范圍。

1 靜態破碎法技術設計

靜態破碎法技術設計，包括鉆孔的布置和藥劑的選擇。

1.1 鉆孔布置

鉆孔布置方式分兩種：分次掏槽法和一次掏槽法。其中，分次掏槽法又分為直眼掏槽法和半楔形掏槽法。

1.1.1 分次破碎法之直眼掏槽

在巷道中下部合適位置，預先鉆一個孔徑大于60 mm的空孔作為自由面；沿該孔四周布置一到兩圈掏槽孔，孔距為200～250 mm，距空孔邊沿距離為250 mm；灌注靜態破碎劑，進行破碎后，用小風鎬將其剔除，形成更大的空間，并按照孔排距300 mm布置崩落孔和周邊孔，再灌注靜態破碎劑進行破碎。孔眼布置如圖1所示。

圖1 直眼掏槽法鉆眼布置

該方法分為兩個步驟，雖然分步操作略微費時，但是這種方法通過第一步小范圍的破碎為第二步全面破碎工作提供了很好的臨空面，使得破碎工作能夠順利的進行。

1.1.2 分次破碎法之半楔形掏槽

鉆孔孔徑統一為42 mm，在巷道中下部合適位置鉆一排水平孔，孔距為250 mm；在水平孔的上部300～400 mm處鉆一排傾斜孔，孔深為1200 mm，使孔底距水平孔小于200 mm；灌注靜態破碎劑進行破碎，然后用小風鎬將其剔除，形成更大的空間，并按照孔排距250～350 mm布置其它崩落孔，再灌注靜態破碎劑進行破碎。鉆眼布置如圖2所示。

圖2 半楔型掏槽法鉆眼布置

這種方法與直眼掏槽法略有不同，差別在于前者利用空孔補償臨空面的不足，而后者是靠布設楔形孔利用兩排破碎劑的合力來破碎巖石，并將破碎了的巖石推出。楔形掏槽臨空面不足，容易造成藥劑的沖孔。

1.1.3 一次掏槽法

全斷面破碎法，是在斷層全斷面鉆出空孔和破碎孔，利用空孔的空間進行一次破碎。要求空孔間距為600～800 mm，每個空孔間鉆一至兩個裝藥孔，裝藥孔距空孔的距離小于250 mm。圖3為鉆眼布置示意圖。

圖3 全斷面破碎法鉆眼布置

這種方法為一次破碎，省去了分步施工中間的等待時間。靜態破碎劑對臨空面要求較高，在臨空面缺失或沒有較好臨空面時，靜態破碎劑基本不能發揮破巖作用。

為了保證其能順利破碎巖石，需要鉆鑿較多的空孔充當臨空面，這就浪費了人力、物力，沒有直眼掏槽法經濟。

通過上述幾種方法比較，直眼掏槽法掏槽方法簡單，不用鉆鑿傾斜孔眼，需用空孔數量較少，整體技術經濟效益較好，為優選技術方案。

1.2 藥劑選擇及鉆孔布置

1.2.1 藥劑選擇

由于斷層巖石強度較高，需要選用膨脹力較大的靜態破碎劑。經市場調研及產品性能分析比較，確定使用 “超力牌”靜態破碎劑。該品牌破碎劑最大膨脹力達到122 MPa；反應時間可在10 min～1h之間調節。

1.2.2 鉆孔直徑與鉆孔布置

鉆孔直徑與破碎效果有直接關系，鉆孔直徑過小，不利于靜態破碎劑充分發揮效力；鉆孔直徑太大，易沖孔。通常選用鉆頭直徑為38～42 mm。鉆孔孔距與排距布置見表1。

第一次破碎時，空孔直徑80 mm，孔深1500 mm；裝藥孔直徑42 mm，孔深1200 mm；裝藥孔孔距小于200 mm，裝藥孔與空孔孔距小于250 mm。

第二次破碎時，裝藥孔孔距小于250 mm，排距小于300 mm。

表1 孔距與排距布置

2 靜態破碎法的施工

2.1 施工工序

第一步：鉆鑿中心大直徑深空孔及其周邊裝藥孔。在本次破碎作業中，空孔提供了破碎斷層巖石所需的臨空面，深度比裝藥孔深度大，直徑越大越有利于巖石破碎。

第二步：灌注充填破碎劑進行破碎。使用破碎劑破碎巖石后，再用小風鎬將其剔除，形成更大的空間。

第三步：鉆鑿出崩落孔，灌注充填破碎劑進行破碎，然后再用割煤機破碎并將巖塊輸送出去。

2.2 技術措施

2.2.1 鉆孔技術措施

（1）按照設計要求，控制鉆孔孔口位置偏差不超過±50 mm，孔底位置偏差不超過最小孔距200 mm。

（2）使用錨桿鉆機或鑿巖機鉆孔，孔道略下斜，孔底在孔口以下，用清水鉆進，大水量、慢速、減壓開孔，以保證鉆孔質量。

（3）換接鉆桿時，檢查鉆桿是否彎曲，有無損傷，中心水孔是否暢通。

（4）鉆鑿完畢后，將鉆孔內的余水和余渣用高壓風吹洗干凈，并將孔口清理干凈至無土石渣。

2.2.2 裝藥技術措施

（1）開始施工前，要在現場做藥劑反應試驗，根據藥劑在現場反應的時間，恰當修改施工參數，保證施工安全。

（2）在藥劑中加入30% （重量比）左右的水拌成糊狀后，迅速倒入孔內并用桶桿捅實，再用黃泥搓成條塞入孔口并搗實，務必保證藥劑在孔內處于密實狀態。如果用藥卷進行裝填，則應做到：藥卷集中浸泡，充分浸透，逐條裝入，分別搗實。

（3）工人在循環操作過程中，每次裝藥的孔數適當，每次拌藥量不超過所需藥量。

（4）從往藥劑中加入拌合水到灌裝結束，所需時間嚴格控制在5 min以內。

（5）操作時，用兩種方法控制藥劑反應時間：一是在拌合水中加入適量抑制劑；二是控制拌和水和藥劑溫度在15℃左右。

（6）工作人員要帶上防沖孔眼鏡，在規定時間內充填完畢，并立即撤走，以防沖孔傷到工作人員。

3 應用效果

翟鎮煤礦是山東新汶礦業集團公司所轄的一座國有煤礦，位于山東省新泰市西北10k m。翟鎮井田四周斷層環繞，井田內共發現大中型斷層17條，斷層與褶曲并存。斷層巖石為砂巖，性脆，巖石硬度系數E值為4～6。

翟鎮煤礦3205E工作面共有15道斷層，斷層平行于工作面，厚3～5 m，斷層位置如圖4所示。

圖4 工作面斷層位置

翟鎮煤礦綜采工作面設備租賃、供電、通風等費用每小時約1萬元。按照傳統方法用炸藥爆破3205E工作面斷層巖石，需要移走部分設備，對不方便移走的設備加設防護裝置。該工作面共有15個斷層，與爆破方法相比，使用靜態破碎法破碎，一個斷層能節省1d時間和2萬元防護費，成本按每天20萬元算，整個工作面累計減少費用約330萬元。礦區有4個相似工作面，使用靜態破碎技術，可為該礦累計節省1320萬元。

4 結語

靜態破碎技術應用于綜采工作面過斷層巖石，通過翟鎮煤礦井下工作面首次應用證明，對于解決綜采過斷層巖石問題是行之有效的。該項技術不僅安全可靠，而且有較好的經濟技術效益，值得在煤礦推廣應用。