靜態(tài)破碎劑力學(xué)性能研究及在端頭懸頂中的應(yīng)用

武 利

(陽煤集團(tuán) 石港煤業(yè)公司，山西 左權(quán) 032600)

1 工程概況

陽煤集團(tuán)石港煤業(yè)公司15203綜采工作面位于井田的西北翼，主采15號煤層。東、北部為未開掘的二采區(qū)工作面，西部為15102工作面，南部為已開采的15202工作面。工作面走向長756 m，傾斜長155 m，煤層傾角2～10°，平均6°，屬近水平煤層。本工作面煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度6.83～7.27 m，平均7.15 m。一般含夾石2層，頂板向下2.25 m處有一層0.29 m厚度的夾石，底板向上1.87 m處是一層0.28 m厚的砂質(zhì)泥巖，煤層節(jié)理發(fā)育。根據(jù)井田精查地質(zhì)報(bào)告，15號煤層煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。工作面采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，全部垮落法處理采空區(qū)，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷均為錨網(wǎng)支護(hù)，工作面回采過程中巷道端頭后方存在頂板不易垮落的問題，擬采用靜態(tài)破碎的方法來縮短懸頂距離，減小頂板初次垮落歩距，為工作面安全生產(chǎn)創(chuàng)造條件?，F(xiàn)對靜態(tài)破碎劑的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

2 靜態(tài)破碎劑力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

中華人民共和國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC506-2008無聲破碎劑中所提供的實(shí)驗(yàn)方法具體原理為：通過在Q235薄壁鋼筒外側(cè)相應(yīng)位置粘貼電阻片，并用塑料袋包裹置入恒溫水箱中，這樣在破碎劑發(fā)生水化反應(yīng)后使得鋼筒產(chǎn)生受壓膨脹，通過應(yīng)變片得出的鋼筒變形值，再根據(jù)靜態(tài)破碎劑徑向膨脹壓力的下述公式即可得出膨脹壓力的大小。

靜態(tài)破碎劑在鋼管中產(chǎn)生的徑向膨脹壓力計(jì)算公式：

p=ES(K2-1)(εθ-μ)

式中：ES為鋼筒的彈性模量，本實(shí)驗(yàn)取2.06×105MPa；K為鋼筒的內(nèi)外徑比值；εθ為鋼筒的徑向應(yīng)變；μ為鋼筒的泊松比，本實(shí)驗(yàn)取0.3；p為鋼筒受水化反應(yīng)后產(chǎn)生的徑向膨脹壓力。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)[1]

本次實(shí)驗(yàn)采用壁厚2 mm，外徑200 mm，筒高600 mm的有機(jī)玻璃筒；高度為500 mm的Q235B型鋼管，1 mm厚的封孔鋼板；型號為BF350-3AA的應(yīng)變片，其敏感柵尺寸為3.2 mm×2.5 mm；型號為CM-2B的靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，該應(yīng)變儀的補(bǔ)償電阻為350 Ω，量程為(1～15 000)×10-6。保持實(shí)驗(yàn)室的相對濕度大于50%，溫度約17°。實(shí)驗(yàn)時(shí)在Q235鋼管上端預(yù)留直徑2 mm的排氣孔和直徑10 mm的注漿孔，待注漿完成后進(jìn)行封閉。

1) 選用內(nèi)徑為40 mm，外徑為48 mm的鋼管，分別配制水灰比為0.25、0.28、0.33、0.43的漿液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察不同水灰比下的膨脹壓力，優(yōu)選出最佳水灰比。

2) 選用實(shí)驗(yàn)1)中優(yōu)選出的最佳水灰比進(jìn)行漿液的配制。將其注入內(nèi)徑為30 mm，外徑為38 mm；內(nèi)徑為40 mm，外徑為48 mm；內(nèi)徑為50 mm，外徑為58 mm；內(nèi)徑為60 mm，外徑為68 mm的4組鋼管內(nèi)，觀察漿液在不同孔徑下的膨脹壓力，優(yōu)選出膨脹壓力最大的最佳孔徑。

3) 選用實(shí)驗(yàn)1)中優(yōu)選出的最佳水灰比，分別在水溫為15°、25°、35°的條件下進(jìn)行破碎劑的配制，然后注入到實(shí)驗(yàn)2)優(yōu)選出的膨脹壓力最大的最佳孔徑的鋼管內(nèi)。觀察在不同水溫下配制靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力的變化情況及極值。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)1)后，將所得數(shù)據(jù)代入p=ES(K2-1)(εθ-μ)，得到不同水灰比下靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生的徑向膨脹壓力的數(shù)值。結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同水灰比下的徑向膨脹壓力

從圖1可以發(fā)現(xiàn)：不同水灰比配制出的靜態(tài)破碎劑所產(chǎn)生的徑向膨脹壓力隨時(shí)間變化的趨勢基本一致，在水化反應(yīng)初期，破碎劑產(chǎn)生的徑向膨脹壓力緩慢增長，隨著反應(yīng)時(shí)長的增加，從約4 h開始，破碎劑產(chǎn)生的徑向膨脹壓力迅速增長，并在20 h左右，破碎劑產(chǎn)生的徑向膨脹壓力逐漸趨于穩(wěn)定。在反應(yīng)后期，膨脹壓力的小幅下降是由于鋼管的變形使一部分膨脹壓力被釋放所致。并且水灰比為0.25時(shí)靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生的徑向膨脹壓力最大，峰值約91 MPa?？紤]到在實(shí)際工程應(yīng)用中，水灰比小于0.2時(shí)，配制靜態(tài)破碎劑時(shí)漿液粘稠度不夠大，且流動性較差；當(dāng)水灰比大于0.3時(shí)，雖然配制成的漿液流動性較好，但是產(chǎn)生的徑向膨脹壓力達(dá)不到理想的峰值。所以在實(shí)際工程應(yīng)用中選擇最佳水灰比為0.25。

在實(shí)驗(yàn)1)優(yōu)選出的0.25最佳水灰比的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)2)，得到0.25水灰比條件下靜態(tài)破碎劑在不同孔徑下產(chǎn)生的膨脹壓力與應(yīng)變比，如圖2所示。

圖2 0.25水灰比條件下靜態(tài)破碎劑在

從圖2可發(fā)現(xiàn)：所選鋼管的孔徑越大，破碎劑產(chǎn)生的徑向膨脹壓力、軸向膨脹壓力及應(yīng)變比也越大，并且應(yīng)變比和徑向膨脹壓力的變化趨勢基本一致。隨著孔徑的增大，應(yīng)變比隨之增大，則破碎劑產(chǎn)生的徑向膨脹壓力和軸向膨脹壓力的差值會逐漸減小，這是由于在較小孔徑的鋼管內(nèi)，水化反應(yīng)的進(jìn)行會產(chǎn)生自封孔現(xiàn)象來約束軸向的膨脹現(xiàn)象，而在孔徑較大的鋼管內(nèi)，漿液在鋼管內(nèi)進(jìn)行水化反應(yīng)時(shí)處于流體狀態(tài)，不會發(fā)生自封孔現(xiàn)象，從而不會約束軸向的膨脹現(xiàn)象所致。從圖中可以看出，0.25水灰比條件下靜態(tài)破碎劑在60 mm孔徑下產(chǎn)生的膨脹壓力最大，約為98 MPa。

在實(shí)驗(yàn)1)優(yōu)選出的0.25最佳水灰比，實(shí)驗(yàn)2)優(yōu)選出的最佳60 mm孔徑鋼管的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)3)，得到不同水溫[2]下配制靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力的變化曲線，如圖3所示。

從圖3可發(fā)現(xiàn)：不同水溫下配制的靜態(tài)破碎劑反應(yīng)產(chǎn)生膨脹壓力的速率明顯不同，但是最終反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹壓力的極值相差較小。這是由于靜態(tài)破碎劑的主要成分為氧化鈣[3]，水溫越高，氧化鈣與水的反應(yīng)速度就會越快，即破碎劑快速膨脹所需的時(shí)間越短，但是反應(yīng)物中氧化鈣的量是一定的，雖然水溫不同會導(dǎo)致反應(yīng)速度的不同，但不會影響最大膨脹壓力所致?？紤]到在實(shí)際工程應(yīng)用中水溫過高時(shí)，氧化鈣與水的反應(yīng)速度太快，會在短時(shí)內(nèi)產(chǎn)生大量的能量，容易產(chǎn)生噴孔的現(xiàn)象。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)要求來控制水溫進(jìn)行破碎劑的配制。

圖3 不同水溫下配制靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力的變化曲線

綜上所述，在實(shí)際工程應(yīng)用中，要使靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生最佳的膨脹效果，配制時(shí)的最佳水灰比為0.25，鋼管最佳孔徑為60 mm，且應(yīng)在合理的水溫下進(jìn)行破碎劑的配制，來控制破碎劑的膨脹速度。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果[4]

考慮到石港煤業(yè)公司15203綜采工作面的頂板巖層裂隙、構(gòu)造發(fā)育及覆巖性質(zhì)，結(jié)合巷道支護(hù)參數(shù)及現(xiàn)場施工情況，設(shè)計(jì)鉆孔的孔距為800 mm，排距為800 m，鉆孔長度5 000 mm，鉆孔的傾角與巷道軸線向采空側(cè)方向45°，具體布置情況如圖4所示。在3排鉆孔布置完成后，靜態(tài)破碎劑的注漿作業(yè)和鉆孔作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，注漿材料選用經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到的最優(yōu)選材料進(jìn)行注漿作業(yè)，直至完成計(jì)劃工作量。

15203綜采工作面回采巷道端頭頂板在未實(shí)施靜態(tài)破碎技術(shù)前的懸頂距離較長，約20 m以上，并且回采巷道頂板下沉緩慢；在實(shí)施靜態(tài)破碎技術(shù)后，僅僅數(shù)小時(shí)內(nèi)即可聽到巷道頂板有明顯的碎裂的聲音。在實(shí)施靜態(tài)破碎技術(shù)后的第二天，巷道頂板塌落的速度明顯加快，采空區(qū)側(cè)回采巷道后方端頭的懸頂距離明顯減小，在回采巷道實(shí)施靜態(tài)破碎的作用取得了預(yù)期效果。

圖4 回采巷道頂板鉆孔布置示意(mm)

4 結(jié) 語

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，要使靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生最佳的膨脹效果，配制時(shí)的最佳水灰比為0.25，所選鋼管的孔徑應(yīng)為60 mm，且應(yīng)在合理的水溫下進(jìn)行破碎劑的配制，來控制破碎劑的膨脹速度。通過選取最優(yōu)選參數(shù)對石港煤業(yè)公司15203綜采工作面回采巷道端頭頂板進(jìn)行靜態(tài)破碎，巷道后方端頭的懸頂距離明顯減小，取得了預(yù)期效果。