馬道頭煤業綜采懸頂區靜態膨脹致裂技術研究與應用

史俠東

（晉能控股煤業集團馬道頭煤業有限責任公司，山西 大同 037000）

1 概況

馬道頭煤業8406工作面煤層厚度3.52～12.46 m，平均厚度為8.65 m，采高3.3 m，煤層之間含有夾石，煤容重為1.45 t/m3，煤層穩定性好。工作面北部為實煤區，走向長度為1532 m，傾斜長度為106 m，最大傾角7°。工作面直接頂以碳質泥巖為主，單層結構質地較軟，基本頂以砂巖為主，底板為泥巖。巷道采用“錨桿+金屬網+錨索”聯合支護方式，由于工作面巖層強度較高、穩定性好，且巷道的錨桿錨索聯合支護作用于兩端三角形懸板，導致綜采過程中基本頂無法有規律的周期性垮落，使采空區頂板出現大面積懸頂，煤層上下隅角處集聚瓦斯以及懸頂垮塌時會產生高壓颶風[1-2]，直接對井下綜采安全造成威脅。研究懸頂區靜態膨脹致裂技術，安全高效地對8406 工作面頂板進行破壞，避免大面積懸頂的產生，是解決當前綜采安全隱患的有效途徑。

2 靜態膨脹致裂原理

8406 工作面綜采過程中形成的巷道端頭弧三角區結構如圖1。在采空區基本頂坍塌后，位于端頭的弧三角區域頂板在保護煤柱和采煤工作面煤體共同支撐下，直接頂會形成懸壁結構，并會隨著工作面推進距離的增加，懸臂結構的面積也會增大，懸頂端頭與保護煤柱和支架切頂線方向會產生很大彎矩[3]，導致切線處出現斷裂，進而形成大面積懸頂脫落[4]。

圖1 8406 工作面回采巷道端頭弧三角區

靜態膨脹致裂是利用裝填在鉆孔內的膨脹劑的水化作用導致的宏觀體積膨脹產生膨脹壓力[5]，使巖層發生破裂。膨脹劑的主要成分是氧化鈣，通過膨脹劑破巖力學分析，裝填膨脹劑的鉆孔直徑和鉆孔間距對膨脹力的破巖作用有直接影響，較大的孔徑和較短的孔間距可以增大膨脹致裂效果[6]，但會增加施工量和耗材量。在膨脹劑水化膨脹力逐漸增大過程中，巖層的拉伸應力隨之增大，同時膨脹劑孔內的拉伸應力首先達到極限拉伸強度，軸心面最先出現徑向開裂，形成“O-X”形裂紋[7]，以此為中心擴展裂紋至破巖完成。

3 靜態膨脹致裂技術應用

3.1 膨脹劑水灰比

分別按照水灰比為0.2、0.3 和0.4 配置膨脹劑，使用電阻應變儀測量膨脹劑反應過程中產生的膨脹力，測量不同反應時間三種水灰比膨脹劑膨脹壓力變化曲線如圖2。可以看出，膨脹力變化趨勢相同，隨反應時間先增大后趨于穩定，但可以達到的最大膨脹力以及所需最短時間相差較大。水灰比為0.2的膨脹劑表現出的膨脹力最大，達到78.25 MPa，所需時間為19 h 左右；其次0.3 水灰比最大膨脹力下降到48.67 MPa，所需時間為15 h 左右。隨著水灰比的增加，膨脹力和時間呈現出很強的規律性。在試驗過程中發現水灰比小于0.25 時，漿液流動性差，無法有效注漿；水灰比大于0.35 時，成型性較差，而膨脹力太小，無法對8406 工作面頂板致裂。根據巖性確定水灰比為0.28。

圖2 不同水灰比膨脹劑膨脹壓力變化曲線圖

3.2 鉆孔布置方案

膨脹致裂工藝實施的關鍵是確定膨脹劑鉆孔布置以及鉆孔注漿工序，鉆孔直徑、間距以及布置方式根據頂板巖性以及選用的膨脹劑氧化鈣含量計算確定[8]。8406 工作面頂板鉆孔布置如圖3。根據地質資料顯示，8406 工作面頂板巖層抗壓強度為46.52 MPa，抗拉強度為42.28 MPa，膨脹劑中氧化鈣含量約95%。確定的鉆孔直徑為65 mm，孔深10 m，方向與水平面呈75°夾角，鉆孔間距為800 mm，距兩側自由邊500 mm，每排布置5 個鉆孔，排間距為1800 mm，在靠近保護煤柱一側每隔900 mm 增加一個鉆孔，鉆孔整體排布為“T”字形[9]。

圖3 8406 工作面頂板鉆孔布置圖（mm）

3.3 注漿工藝

鉆孔完成后，在孔內布置四根長度依次遞增的注漿管，分別編號1～4，如圖4。在注漿管與鉆孔的縫隙處填充棉紗至少1 m 高度后，在注漿管的下方用錨固劑和發泡劑將縫隙密封，凝固至少24 h 保證鉆孔與注漿管之間的密閉，然后采用ZBQ-12/2.5型注漿泵氣動攪拌機將水泥和速凝劑按照2:1 的比例攪拌成漿液。注漿氣動泵壓力調節至2.5 MPa，向深度最淺的1 號注漿管內注漿液，待2 號注漿管有漿液流出時，說明水泥漿液已經充滿封孔高度，停止注水泥漿液，并將1 號和2 號注漿管折疊封堵。在工作面推進到該區域后，向3 號注漿管內注膨脹劑，膨脹劑水灰比為0.28，一直到4 號注漿管內有膨脹劑流出，停止注膨脹劑，并將3 號和4 號注漿管封堵，注漿工藝完成。

圖4 注漿工藝示意圖

4 膨脹致裂效果

膨脹劑灌注完成3 h 后，頂板發生明顯裂紋，裂隙清晰。隨著工作面的推進，支架后方的頂板垮落距離不大于10 m，表明在膨脹致裂技術的應用下，頂板垮落及時，能夠對采空區起到較好的填充作用，效果明顯。為了直觀展現膨脹致裂技術效果，在工作面940～1050 m 段進行鉆孔窺視，并監測該區域的礦壓。

4.1 鉆孔窺視

對工作面頂板膨脹開裂的三處進行鉆孔內窺，如圖5 所示。由上到下分別為1 號、2 號、3 號孔，可以看出頂板深度7 m 內孔兩壁裂縫產生效果明顯，表明該區域范圍內頂板巖層致裂效果達標；在7～12 m 深度范圍內屬于直接頂，工作面直接頂以碳質泥巖為主，出現大量不規則裂紋，穩定性破壞嚴重；12 m 以下深度為基本頂，以砂巖為主，裂紋多寬大粗糙。通過鉆孔窺視可以判斷，采用靜態膨脹致裂技術后，8406 工作面頂板裂隙發育明顯，完全滿足開裂垮落需求。

圖5 不同膨脹致裂鉆孔內窺圖

4.2 礦壓監測

隨著工作面推進，監測煤機后方液壓支架前后支柱的壓力，以判定頂板靜態膨脹致裂工藝實施效果，根據監測數據繪制圖6。圖中前半部分為頂板未靜態致裂時的液壓支架承受壓力，此時周期來壓步距平均為34.6 m，支架受力峰值約為40 MPa；后半部分為頂板受到膨脹劑靜態致裂后的液壓支架承受壓力，周期來壓步距平均值降低為22.5 m，支架受力峰值降低為22 MPa。靜態膨脹致裂頂板的周期來壓步距和最大壓力值的明顯降低，表明工作面頂板垮落，頂板應力得以釋放。

圖6 液壓支架隨工作面推進壓力變化曲線圖

5 結語

馬道頭煤業8406 工作面巖層穩定性好，巷道錨桿錨索聯合支護形成頂板三角形懸板結構，導致基本頂無法有規律周期性垮落，出現大面積懸頂，增加垮塌產生高壓颶風的風險，進行了懸頂區靜態膨脹致裂工藝研究，形成以下結論：

1）靜態膨脹致裂是利用裝填在鉆孔內的膨脹劑的水化作用導致的宏觀體積膨脹產生膨脹壓力，使巖層發生破裂，從膨脹力和顯示效果時間兩個角度對比三種不同水灰比膨脹劑致裂性能，結合漿液流動性和成型性要求，確定工作面頂板靜態膨脹致裂膨脹劑水灰比為0.28；

2）綜合鉆孔直徑、鉆孔間距對以氧化鈣為主要組分膨脹劑致裂效果的影響，確定了鉆孔直徑為65 mm、間距為800 mm 的“T”字形鉆孔布置方案；

3）鉆孔窺視顯示頂板直接頂和基本頂均出現致裂裂隙，工作面頂板周期來壓步距和最大壓力值隨工作面推進出現明顯下降，均表明該靜態膨脹致裂技術應用達到頂板規律垮落效果，降低了大面積懸頂安全隱患。