靜態(tài)煤巖脹裂劑在高瓦斯礦井中的應(yīng)用淺析

曾一鳴

（山西高河能源有限公司 ,山西 長(zhǎng)治 046000）

1 工程概況

高河煤礦為高瓦斯礦井，W1310低位放頂煤綜采工作面位于該礦西一盤區(qū)，開采3#煤，煤層埋深約464.5m，煤層傾角為1°～7°，煤層厚度6～7m，平均厚度6.5m，屬于近水平厚煤層，煤層間夾有一層厚度0.2m左右的炭質(zhì)泥巖矸石，工作面標(biāo)高：417.302～496.69m，切眼長(zhǎng)度320m，進(jìn)風(fēng)順槽全長(zhǎng)為1872m，回風(fēng)順槽全長(zhǎng)為5156m。3#距離下部9#煤層約65m。W1310工作面巷道布置平面圖如圖1所示。W1310工作面進(jìn)風(fēng)順槽采用錨索網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)，頂板錨桿選用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，巷幫錨桿選用螺紋鋼錨桿，具體支護(hù)參數(shù)如圖2所示。該礦在W1310工作面回采過程中出現(xiàn)順槽后方端頭不易隨采垮落，懸頂距離過大的問題，從而導(dǎo)致巷道支撐壓力增大、通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)、上隅角瓦斯積聚等問題的出現(xiàn)，現(xiàn)礦方擬采用“靜態(tài)煤巖脹裂劑”作為膨脹材料進(jìn)行順槽后方端頭頂板的靜態(tài)破碎，從而解決上述問題。

圖1 W1310工作面巷道布置平面圖

2 靜態(tài)脹裂劑的特性分析

2.1 脹裂劑膨脹壓與孔徑關(guān)系

為了研究靜態(tài)煤巖脹裂劑的膨脹壓與孔徑的關(guān)系，現(xiàn)在國(guó)標(biāo)JC-506-2008的要求下，選用4組孔徑不同的粘有應(yīng)變片的Q235鋼管進(jìn)行脹裂試驗(yàn)，測(cè)試不同孔徑下脹裂劑所產(chǎn)生的膨脹壓力，其內(nèi)徑分別為15mm、20mm、32mm、40mm， 外 徑 分 別 為 20mm、25mm、32mm、48mm。所測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 進(jìn)風(fēng)順槽斷面支護(hù)圖

通過觀察表1可發(fā)現(xiàn)：脹裂劑所產(chǎn)生的膨脹壓力的大小與孔徑大小呈線性關(guān)系，即脹裂劑所產(chǎn)生膨脹壓力隨著孔徑的增大而增大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：孔徑為40mm時(shí)，可產(chǎn)生85MPa左右的膨脹壓力。然而孔徑越大，沖孔現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此設(shè)計(jì)孔徑時(shí)，不易過大，也不易過小。鑒于工程實(shí)際中的應(yīng)用，孔徑40mm是最符合實(shí)際工程應(yīng)用的。

表1 不同孔徑下脹裂劑的膨脹壓力

2.2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)高河礦W1310工作面上覆巖層煤巖體的物理力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)頂板支護(hù)參數(shù)，孔距設(shè)計(jì)為800mm。通過ANSYS4.0軟件中材料的熱膨脹性建立模型模擬脹裂劑在煤巖體的膨脹過程。模型的尺寸為5m×5m×5m，鉆孔間距為0.8m，鉆孔孔徑為40mm。煤的彈性模量取2GPa，泊松比取0.3，單軸抗壓強(qiáng)度取2.1MPa，靜態(tài)煤巖脹裂劑的線膨脹系數(shù)取1×10-4。通過對(duì)靜態(tài)煤巖脹裂劑施加溫度來實(shí)現(xiàn)加載[1]。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

煤體在靜態(tài)煤巖脹裂劑的作用下致裂剝落的過程如圖3所示。觀察圖3發(fā)現(xiàn)，圖3（a）中由于脹裂劑的作用時(shí)間太短，脹裂劑還未能產(chǎn)生較大的膨脹壓力，所以并沒有在鉆孔附近發(fā)現(xiàn)脹裂裂縫。圖3（b）中綠色圓圈代表產(chǎn)生裂縫的位置，網(wǎng)格間有綠色圓圈出現(xiàn)，表明靜態(tài)煤巖脹裂劑開始發(fā)揮作用，煤體鉆孔周圍開始出現(xiàn)少量裂縫。圖3（c）中隨著時(shí)長(zhǎng)的增加，靜態(tài)煤巖脹裂劑進(jìn)一步膨脹，綠色圓圈明顯增多，表明煤體鉆孔周圍的裂縫數(shù)量明顯增加。圖3（d）中靜態(tài)脹裂劑繼續(xù)膨脹，可以明顯看到鉆孔周圍的脹裂裂縫，并向另一個(gè)鉆孔貫穿。圖3（e）中靜態(tài)脹裂劑的膨脹速度達(dá)到高峰，鉆孔周圍的脹裂裂縫明顯增加，并且可以明顯的觀察道兩個(gè)鉆孔間產(chǎn)生了貫穿裂縫，并且圖中可以觀察到紅色圓圈的出現(xiàn)，說明這一區(qū)域產(chǎn)生y方向裂縫，致裂效果良好。圖3-（f）靜態(tài)煤巖脹裂劑進(jìn)一步膨脹，可以觀察到各鉆孔之間的貫通裂縫迅速增加，裂縫密度和裂縫寬度不斷增大，圖中紅色圓圈的數(shù)量也逐漸增多，即y方向的裂縫在不斷增加。

圖3 靜態(tài)煤巖脹裂劑作用下煤體的開裂冒落過程

綜上：靜態(tài)煤巖脹裂劑在剛注入煤體鉆孔時(shí)，由于脹裂劑的作用時(shí)間太短，脹裂劑所產(chǎn)生的膨脹壓較小，致裂效果不明顯，但隨著脹裂劑作用時(shí)長(zhǎng)的增加，脹裂劑產(chǎn)生較大的膨脹壓力，并且逐步會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)鉆孔間的貫穿裂縫，同時(shí)產(chǎn)生y方向的裂縫，致使煤巖體開裂冒落，致裂效果良好。靜態(tài)脹裂劑在模擬中破碎效果良好，并且0.8m的孔間距和40mm的孔徑合理。

3 工作面頂板靜態(tài)破碎技術(shù)

3.1 鉆孔的布置

考慮到高河煤礦W1310工作面覆巖性質(zhì)及頂板巖層的節(jié)理、裂隙發(fā)育、構(gòu)造的發(fā)育情況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)頂板支護(hù)參數(shù)，鉆孔的孔距和排拒均設(shè)計(jì)為800mm。注漿鉆孔的打孔深度為目標(biāo)破碎深度的90%，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，設(shè)計(jì)注漿鉆孔與巷道軸線向采空側(cè)方向的夾角為45°，鉆孔的長(zhǎng)度為5000mm，具體布置參數(shù)如圖4所示。

圖4 運(yùn)輸順槽鉆孔布置示意圖

3.2 鉆孔注漿[2-3]

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)該順槽頂板覆巖有離層移動(dòng)的現(xiàn)象，因此所打鉆孔內(nèi)部不平整，鉆孔內(nèi)部有裂隙存在，為了避免向鉆孔內(nèi)注靜態(tài)脹裂劑時(shí)，漿液從裂隙向圍巖中滲漏，造成脹裂劑的浪費(fèi)，需要在注漿作業(yè)前使用ZF-A22封孔器在距離孔口約0.5m處進(jìn)行封孔。具體的注漿步驟如下：

1）注漿鉆孔布置方案：注漿鉆孔與巷道軸線向采空側(cè)方向的夾角為45°，鉆孔的長(zhǎng)度為5000mm，孔距為800mm，排拒為800mm，鉆孔直徑為40mm。

2）注漿前準(zhǔn)備工作：在鉆孔作業(yè)前，必須進(jìn)行“敲幫問頂”，避免在鉆孔時(shí)發(fā)生圍巖剝落的現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備和人員造成不必要的傷害；作業(yè)前調(diào)試注漿泵、錨桿鉆機(jī)、風(fēng)管等設(shè)備，避免注漿過程中設(shè)備出現(xiàn)問題，耽誤施工進(jìn)程。

3）臨時(shí)支護(hù)的布置：在順槽后方端頭需要靜態(tài)脹裂劑致裂頂板的區(qū)域內(nèi)，用單體支柱進(jìn)行巷道的臨時(shí)支護(hù)，支設(shè)臨時(shí)支護(hù)的范圍和密度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件進(jìn)行調(diào)整，要保證施工人員有足夠的作業(yè)空間。

4）鉆眼：支設(shè)臨時(shí)支護(hù)后，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在頂板上開始鉆孔。

5）封孔：在注漿作業(yè)前使用ZF-A22封孔器在距離孔口約0.5m處進(jìn)行封孔。

6）退錨：在順槽后方端頭需要靜態(tài)脹裂劑致裂頂板的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行頂板錨索的退錨作業(yè)；退錨率要求在85%以上，由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況退錨率達(dá)不到85%時(shí)，需要加強(qiáng)支護(hù)。

7）靜態(tài)脹裂劑漿液的配制：啊靜態(tài)脹裂劑的配比為水：煤巖脹裂劑=3：7，使用攪拌器將其攪拌成均勻的具有良好流動(dòng)性的漿液，在漿液攪拌均勻的10分鐘內(nèi)完成鉆孔內(nèi)的注漿作業(yè)，否側(cè)會(huì)因?yàn)闀r(shí)間過長(zhǎng)，降低漿液的流動(dòng)性，從而降低脹裂劑的脹裂效果[4]。

8）注漿作業(yè)：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，注漿過程中要求終孔壓力大于2MPa，每個(gè)鉆孔需要0.02m3的靜態(tài)脹裂劑。

9）拆除臨時(shí)支護(hù)：待注漿工作完成后，將所支設(shè)的單體支柱臨時(shí)支護(hù)拆除，結(jié)束本循環(huán)的注漿作業(yè)。

3.3 頂板破碎效果

在頂板靜態(tài)破碎技術(shù)實(shí)施前高河煤礦W1310工作面落山頂板下沉緩慢，落山懸頂長(zhǎng)度大約在20m以上，在頂板靜態(tài)破碎技術(shù)實(shí)施后數(shù)小時(shí)內(nèi)，可以觀察到工作面頂板有明顯的脹裂的聲響，工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)束后第二天，發(fā)現(xiàn)落山巷道頂煤開始逐步冒落，在增加了自由面后，頂板的塌落速度明顯加快，老頂中粒砂巖在礦山壓力作用下也逐步開始塌落，靠近采空區(qū)側(cè)巷道后方端頭的懸頂距離明顯減小，靜態(tài)脹裂劑的使用取得了不錯(cuò)的效果。

4 結(jié) 論

1）通過ANSYS4.0軟件中材料的熱膨脹性建立模型模擬脹裂劑在煤巖體的膨脹過程，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)煤巖脹裂劑在注入鉆孔的初始階段，膨脹較為緩慢，但之后將迅速膨脹，膨脹產(chǎn)生的裂縫向其相鄰鉆孔一側(cè)發(fā)展，并且會(huì)產(chǎn)生y方向的裂縫，隨著時(shí)長(zhǎng)的增加最終裂縫貫通，致使煤巖體開裂冒落。靜態(tài)脹裂劑在模擬中破碎效果良好。

2）通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)在采取了工作面頂板靜態(tài)破碎的治理措施后，高河煤礦W1310工作面頂板在施工后數(shù)小時(shí)內(nèi)就有明顯的脹裂的聲響，并且第二天頂板的塌落速度明顯加快，老頂中粒砂巖在礦山壓力作用下也逐步開始塌落，靠近采空區(qū)側(cè)巷道后方端頭的懸頂距離明顯減小，靜態(tài)脹裂劑的使用取得了不錯(cuò)的效果。