16502工作面靜態(tài)破碎技術(shù)處理采空區(qū)懸頂實(shí)踐

李海洋

（山西西山白家莊礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

1 工程概況

山西西山晉興有限責(zé)任公司斜溝煤礦16502工作面位于6#煤層15采區(qū)，主采6#煤層，煤層均厚為1.73m，平均傾角為10.3°。直接頂為均厚3.71m的泥巖，基本頂為均厚15.05m的中粗砂巖，煤層底板為泥巖和中粗粒砂巖，如表1所示。16502工作面可采走向長度為2638.2m，傾斜長度為175.4m，采用綜采采煤工藝。

16502工作面兩回采巷道頂板基本頂為中粗粒砂巖，頂板較為堅(jiān)硬，在工作面回采過程中兩端頭采空區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)懸頂面積大。隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，工作面端頭區(qū)域退錨作業(yè)完成以后，懸頂長度仍達(dá)到20m以上，威脅到回采工作面的安全。為加強(qiáng)16502工作面兩巷采空區(qū)懸頂?shù)墓芾恚_保工作面兩巷采空區(qū)頂板及時垮落，保證人員的作業(yè)安全，擬采用靜態(tài)破碎技術(shù)處理巷道端頭懸頂過長的問題。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 靜態(tài)破碎技術(shù)原理

靜態(tài)破碎劑的主要材料為氧化鈣，在靜態(tài)破碎劑與水接觸后，氧化鈣會生成氫氧化鈣，并在化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中出現(xiàn)放熱與體積膨脹的現(xiàn)象[1-2]。靜態(tài)破碎技術(shù)利用靜態(tài)破碎劑與水拌和后的水化反應(yīng)，利用其反應(yīng)產(chǎn)物體積膨脹的特性使物體致裂，其具有膨脹性能高、無噪音、無污染等優(yōu)點(diǎn)。靜態(tài)破碎劑利用藥劑在水化作用時自身體積膨脹所產(chǎn)生的壓力將巖石破壞，將巖體中鉆孔受到靜態(tài)破碎劑的擠壓作用簡化為彈性力學(xué)的圓孔問題，根據(jù)靜態(tài)破碎劑膨脹作用時鉆孔內(nèi)部膨脹力能夠簡化為均布載荷，可將破碎劑的膨脹力學(xué)模型簡化為如圖1所示。

圖1 靜態(tài)破碎劑鉆孔膨脹力學(xué)分析模型

靜態(tài)破碎劑與水產(chǎn)生反應(yīng)后，膨脹劑的膨脹力與時間呈現(xiàn)出增函數(shù)的函數(shù)關(guān)系，同理可知，鉆孔壁面的巖體受到的膨脹力同樣與反應(yīng)時間呈現(xiàn)增函數(shù)的關(guān)系。具體靜態(tài)破碎劑鉆孔的各項(xiàng)受力表達(dá)式為：

式中：

σρ-始終為壓應(yīng)力；

σθ-始終為拉應(yīng)力；

q（t）-孔內(nèi)膨脹壓隨時間的函數(shù)；

r-鉆孔的半徑；

ρ-鉆孔孔壁上任一點(diǎn)與孔心的距離。

隨著靜態(tài)破碎劑反應(yīng)的進(jìn)行，破碎劑的體積膨脹會逐漸增大，破碎劑體積的膨脹會伴隨著膨脹壓力的增大，進(jìn)而在鉆孔周邊形成的切向應(yīng)力σθ逐漸增大，破碎劑鉆孔孔壁在膨脹壓力作用下會使得原有裂隙發(fā)育擴(kuò)展。基于此，為有效分析裂隙擴(kuò)展的長度及裂隙擴(kuò)展所需的條件，建立斷裂力學(xué)裂紋擴(kuò)展的分析模型。當(dāng)鉆孔周邊裂紋出現(xiàn)初期，此時裂紋的半徑很小，可將其作為鉆孔孔壁的一部分，假設(shè)被破碎的巖體為無限大的板模型，則靜態(tài)破碎劑裂紋擴(kuò)展的力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 靜態(tài)破碎劑鉆孔裂紋擴(kuò)展示意圖

其應(yīng)力強(qiáng)度因子為：

式中：

KI*-裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，N/mm3/2；

a-產(chǎn)生裂紋長度，mm；

d-鉆孔直徑，mm。

為簡化力學(xué)分析模型，隨著膨脹劑反應(yīng)的進(jìn)行，可進(jìn)一步簡化裂紋的擴(kuò)展模型，裂紋的擴(kuò)展為中部膨脹壓力P的作用，簡化后的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算如下：

式中各項(xiàng)符號的含義同上，分析式（3）可知，當(dāng)作用力P不變時，裂紋擴(kuò)展長度與應(yīng)力強(qiáng)度因子呈現(xiàn)反比例關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI*大于等于欲破碎巖石的斷裂韌度時，裂紋長度會產(chǎn)生擴(kuò)展，應(yīng)力強(qiáng)度因子KI*會由于裂紋的擴(kuò)展而消耗降低，進(jìn)而達(dá)不到裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力條件時鉆孔周圍的裂紋擴(kuò)展將會停止。隨著破碎劑水化反應(yīng)的進(jìn)行，靜態(tài)碎裂劑在水化作用之下，出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展—止裂的周期性變化，直至靜態(tài)碎裂劑體積膨脹達(dá)到極限為止。根據(jù)裂紋擴(kuò)展的最小止裂方程為的測定方式可通過測試巖石的單軸抗壓強(qiáng)度σc獲得，公式如下：

式中：

KIC-巖石斷裂韌度。

其余符號的含義同上。聯(lián)立式（3）和（4）及裂紋擴(kuò)展最小的止裂方程能夠得出靜態(tài)破碎劑鉆孔周圍裂隙區(qū)的半徑表達(dá)式如下：

式中各項(xiàng)符號的含義同上，通過具體分析式（5）確定頂板靜態(tài)破碎劑合理的鉆孔間距為2a。

3 方案設(shè)計(jì)與效果分析

根據(jù)16502工作面的具體地質(zhì)條件，6#煤層基本頂為中粗砂巖，均厚15.05m，單軸抗壓強(qiáng)度52.4MPa。根據(jù)相關(guān)靜態(tài)破碎劑的試驗(yàn)和工程實(shí)踐表明[1-2]，靜態(tài)破碎劑在水灰比為0.33時，膨脹壓力能夠達(dá)到100MPa，綜合考慮工程應(yīng)用各項(xiàng)因素的影響，確定工業(yè)試驗(yàn)時利用系數(shù)為0.65[3-4]，去破碎劑在0.33水灰比下的工業(yè)應(yīng)用的膨脹壓力為65MPa，代入上式（5）中，能夠計(jì)算出鉆孔裂隙區(qū)半徑：

根據(jù)16502工作面的現(xiàn)場條件，為保證頂板的破碎效果，確定靜態(tài)破碎劑的水灰比為0.33m，鉆孔孔徑為60mm，鉆孔間距取0.8m，結(jié)合3#煤層頂板巖層特征，基本頂中粗砂巖厚度為15.05m，直接頂泥巖均厚為3.71m，考慮到直接頂和基本頂巖層厚度存在一定程度的變化，確定鉆孔的長度為20m。

在16502工作面回采巷道兩端頭最后兩個端頭支架頂梁前端的頂板上打設(shè)靜態(tài)破碎劑鉆孔，孔徑60mm，朝向采空區(qū)呈60°角，孔間距為800mm，深度為20.0m，排距800mm。密集孔打設(shè)完畢后，工作面正常推進(jìn)，待密集孔進(jìn)入采空區(qū)4個循環(huán)（滯后切頂線3.2m）后，進(jìn)行靜態(tài)破碎劑的裝藥、封孔作業(yè)，封孔長度為2.0m。靜態(tài)破碎劑鉆孔布置方式如圖3所示。封孔材料采用水泥—水玻璃雙液漿進(jìn)行封孔，封孔長度為2m。在進(jìn)行封孔作業(yè)時，應(yīng)充分保障封孔效果，當(dāng)封孔材料達(dá)到一定壓力后，再進(jìn)行泵注破碎劑漿液的作業(yè)。

圖3 靜態(tài)破碎劑鉆孔布置方式示意圖

4 應(yīng)用效果

16502工作面兩回采巷道采用靜態(tài)破碎技術(shù)后，靜態(tài)破碎技術(shù)試驗(yàn)段頂板在注入破碎劑漿液之后，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，頂板上能夠聽到明顯的脹裂聲音，頂板巖層處明顯可見裂紋逐漸擴(kuò)展。隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，當(dāng)工作面推進(jìn)超過靜態(tài)破碎技術(shù)試驗(yàn)區(qū)域11m后，試驗(yàn)區(qū)域頂板基本完全垮落，相比之前工作面最長懸頂長度20m，采用靜態(tài)破碎技術(shù)后，懸頂長度減少了9m，懸頂長度降低率為45%，解決了巷道懸頂過長的問題。