靜態(tài)破碎技術(shù)在綜采過(guò)斷層中的應(yīng)用

桂良玉

（北京中煤礦山工程有限公司，北京100013）

隨著煤礦開(kāi)采深度的不斷增加，開(kāi)采環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，煤層的賦存條件也變得越來(lái)越復(fù)雜。目前，煤礦多采用綜合機(jī)械化采煤，當(dāng)煤層中遇到斷層并出現(xiàn)短距離巖層時(shí)，綜采設(shè)備無(wú)法進(jìn)行作業(yè)，需用其它方法穿過(guò)巖層。常規(guī)處理方法是先將綜采設(shè)備部分拆除或者安全防護(hù)，然后進(jìn)行鉆眼爆破穿過(guò)巖層，再將設(shè)備重新安裝好。這種方法的缺點(diǎn)：①交替作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)；②由于爆破時(shí)飛石難以控制，砸壞設(shè)備的情況時(shí)有發(fā)生；③爆破作業(yè)易引起瓦斯、煤塵爆炸等事故。

靜態(tài)破碎技術(shù)，是利用靜態(tài)破碎劑 （SCA）水化膨脹后，對(duì)孔壁施加徑向壓力破碎巖石，當(dāng)徑向壓力在孔壁切向上引起的拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石就被破碎。因此，可以在無(wú)震動(dòng)、無(wú)沖擊波、無(wú)飛石等條件下破碎巖石，具有非常高的安全性。靜態(tài)破碎技術(shù)在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)在礦山工程領(lǐng)域。近年來(lái)，靜態(tài)破碎技術(shù)雖然在煤礦設(shè)備基礎(chǔ)拆除中應(yīng)用，但是在綜采過(guò)斷層中尚無(wú)應(yīng)用先例。

本文突破靜態(tài)破碎劑常規(guī)的適用范圍和應(yīng)用模式，將靜態(tài)破碎技術(shù)引用到綜采工作面破碎斷層巖石，從而拓展了靜態(tài)破碎技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和使用范圍。

1 靜態(tài)破碎法技術(shù)設(shè)計(jì)

靜態(tài)破碎法技術(shù)設(shè)計(jì)，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(yù)先鉆一個(gè)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(tài)破碎劑，進(jìn)行破碎后，用小風(fēng)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(tài)破碎劑進(jìn)行破碎?？籽鄄贾萌鐖D1所示。

圖1 直眼掏槽法鉆眼布置

該方法分為兩個(gè)步驟，雖然分步操作略微費(fèi)時(shí)，但是這種方法通過(guò)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(jìn)行。

1.1.2 分次破碎法之半楔形掏槽

鉆孔孔徑統(tǒng)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(tài)破碎劑進(jìn)行破碎，然后用小風(fēng)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(tài)破碎劑進(jìn)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(bǔ)償臨空面的不足，而后者是靠布設(shè)楔形孔利用兩排破碎劑的合力來(lái)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(jìn)行一次破碎。要求空孔間距為600～800 mm，每個(gè)空孔間鉆一至兩個(gè)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(shí)間。靜態(tài)破碎劑對(duì)臨空面要求較高，在臨空面缺失或沒(méi)有較好臨空面時(shí)，靜態(tài)破碎劑基本不能發(fā)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(dāng)臨空面，這就浪費(fèi)了人力、物力，沒(méi)有直眼掏槽法經(jīng)濟(jì)。

通過(guò)上述幾種方法比較，直眼掏槽法掏槽方法簡(jiǎn)單，不用鉆鑿傾斜孔眼，需用空孔數(shù)量較少，整體技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益較好，為優(yōu)選技術(shù)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(qiáng)度較高，需要選用膨脹力較大的靜態(tài)破碎劑。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研及產(chǎn)品性能分析比較，確定使用 “超力牌”靜態(tài)破碎劑。該品牌破碎劑最大膨脹力達(dá)到122 MPa；反應(yīng)時(shí)間可在10 min～1h之間調(diào)節(jié)。

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(guān)系，鉆孔直徑過(guò)小，不利于靜態(tài)破碎劑充分發(fā)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(jiàn)表1。

第一次破碎時(shí)，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(shí)，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(tài)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(yè)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(jìn)行破碎。使用破碎劑破碎巖石后，再用小風(fēng)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(jìn)行破碎，然后再用割煤機(jī)破碎并將巖塊輸送出去。

2.2 技術(shù)措施

2.2.1 鉆孔技術(shù)措施

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

（2）使用錨桿鉆機(jī)或鑿巖機(jī)鉆孔，孔道略下斜，孔底在孔口以下，用清水鉆進(jìn)，大水量、慢速、減壓開(kāi)孔，以保證鉆孔質(zhì)量。

（3）換接鉆桿時(shí)，檢查鉆桿是否彎曲，有無(wú)損傷，中心水孔是否暢通。

（4）鉆鑿?fù)戤吅?，將鉆孔內(nèi)的余水和余渣用高壓風(fēng)吹洗干凈，并將孔口清理干凈至無(wú)土石渣。

2.2.2 裝藥技術(shù)措施

（1）開(kāi)始施工前，要在現(xiàn)場(chǎng)做藥劑反應(yīng)試驗(yàn)，根據(jù)藥劑在現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)的時(shí)間，恰當(dāng)修改施工參數(shù)，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(nèi)并用桶桿捅實(shí)，再用黃泥搓成條塞入孔口并搗實(shí)，務(wù)必保證藥劑在孔內(nèi)處于密實(shí)狀態(tài)。如果用藥卷進(jìn)行裝填，則應(yīng)做到：藥卷集中浸泡，充分浸透，逐條裝入，分別搗實(shí)。

（3）工人在循環(huán)操作過(guò)程中，每次裝藥的孔數(shù)適當(dāng)，每次拌藥量不超過(guò)所需藥量。

（4）從往藥劑中加入拌合水到灌裝結(jié)束，所需時(shí)間嚴(yán)格控制在5 min以?xún)?nèi)。

（5）操作時(shí)，用兩種方法控制藥劑反應(yīng)時(shí)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(guī)定時(shí)間內(nèi)充填完畢，并立即撤走，以防沖孔傷到工作人員。

3 應(yīng)用效果

翟鎮(zhèn)煤礦是山東新汶礦業(yè)集團(tuán)公司所轄的一座國(guó)有煤礦，位于山東省新泰市西北10k m。翟鎮(zhèn)井田四周斷層環(huán)繞，井田內(nèi)共發(fā)現(xiàn)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(shù)E值為4～6。

翟鎮(zhèn)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(zhèn)煤礦綜采工作面設(shè)備租賃、供電、通風(fēng)等費(fèi)用每小時(shí)約1萬(wàn)元。按照傳統(tǒng)方法用炸藥爆破3205E工作面斷層巖石，需要移走部分設(shè)備，對(duì)不方便移走的設(shè)備加設(shè)防護(hù)裝置。該工作面共有15個(gè)斷層，與爆破方法相比，使用靜態(tài)破碎法破碎，一個(gè)斷層能節(jié)省1d時(shí)間和2萬(wàn)元防護(hù)費(fèi)，成本按每天20萬(wàn)元算，整個(gè)工作面累計(jì)減少費(fèi)用約330萬(wàn)元。礦區(qū)有4個(gè)相似工作面，使用靜態(tài)破碎技術(shù)，可為該礦累計(jì)節(jié)省1320萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

靜態(tài)破碎技術(shù)應(yīng)用于綜采工作面過(guò)斷層巖石，通過(guò)翟鎮(zhèn)煤礦井下工作面首次應(yīng)用證明，對(duì)于解決綜采過(guò)斷層巖石問(wèn)題是行之有效的。該項(xiàng)技術(shù)不僅安全可靠，而且有較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益，值得在煤礦推廣應(yīng)用。