白洞煤礦綜采端頭大面積懸頂致裂技術(shù)研究

馬麗潔，殷帥峰，左安家，鄭鑫健，李 昊

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

工作面端頭是指工作面與軌道巷、運輸巷相連接的地方，綜采端頭大面積懸頂是指懸頂面積超過2m×5m或幾倍以上[1]。懸頂形成的原因有兩種：一是因為工作面頂板為石灰?guī)r、砂巖等堅硬巖石，這種巖石厚度大、節(jié)理裂隙不發(fā)育，煤層開采后，難以垮落，形成懸頂[1-2]；二是因為如今的錨桿錨索支護方式加強了頂板的強度，導(dǎo)致頂板難以及時落下，給井下安全生產(chǎn)帶來威脅[3]。當綜采端頭懸頂達到一定距離時，很容易導(dǎo)致大面積來壓，上下隅角瓦斯積聚，若此時頂板垮落，積聚的瓦斯和有害空氣將瞬間涌出，形成颶風和沖擊壓，嚴重威脅井下工作人員和設(shè)備的安全[4]。因此，堅硬頂板致裂問題已經(jīng)成為不可忽視的問題。

如今用于堅硬頂板致裂的技術(shù)主要有三種：水力壓裂、預(yù)裂爆破、CO2致裂。但是這三種技術(shù)都有一定的弊端。水力壓裂是在工作面回采前，利用高壓水，在鉆孔內(nèi)分段封隔分段壓裂，破壞頂板的完整性[5]。它被廣泛用來致裂頂板，但是效率不高，耗水量大，且效果難以人為控制，排水困難[6-7]；預(yù)裂爆破利用炸藥通過深孔預(yù)爆破弱化頂板，是效果最好的一種，但是成本高，具有極大的危險隱患[8-9]；CO2致裂技術(shù)用高壓泵預(yù)先在專用儲液管注入液態(tài)二氧化碳，使用過程中接通電流，瞬間產(chǎn)生高溫使得儲液管內(nèi)的二氧化碳迅速從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，從而產(chǎn)生體積膨脹產(chǎn)生膨脹壓力使頂板破裂，但這種方法只適用于完整性很強的頂板，不具有普遍性[10]。針對以上問題，我們引進一種新的材料來對堅硬頂板進行致裂使其垮落。相對于其他頂板致裂的方法，使用靜態(tài)膨脹劑致裂頂板不僅成本低、效果好，而且安全系數(shù)高。因此，我們使用靜態(tài)膨脹劑對大同礦區(qū)白洞煤礦堅硬頂板進行致裂。

1 工程概況

白洞煤礦屬于山西同煤集團，目前開采煤層為石炭系5#煤層，煤層總厚度10.11～13.04 m，純煤厚平均9.75 m。煤層中含3-8層夾矸，單層厚度0.1～0.6 m，巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖；煤層頂板多為泥巖、砂礫巖，砂巖為中硬-堅硬巖，泥質(zhì)巖類多屬于軟巖層，頂板單軸抗壓強度為46.749 MPa，單軸抗拉強度為7.486 MPa，巖體結(jié)構(gòu)為薄層狀結(jié)構(gòu)。

8119工作面位于石炭系5#煤層301盤區(qū)南部右翼。施工地點位于8119工作面，位于301盤區(qū)南部，930水平，地面標高1266 m～1488 m，工作面標高937 m～949 m，走向長度1724 m，傾斜長度121 m，無沖擊地壓。煤層厚度為9.75 m，采高3.2 m，放煤厚度6.55 m，面積192040 m2，煤容重1.46 t/m3，可采系數(shù)為1，煤層變異系數(shù)為25.2%，屬于穩(wěn)定煤層，工作面煤層總厚為3.65～11.81 m，煤層普遍有3-8層夾石，夾石厚度為0.10～0.30 m，局部達到0.70 m，夾石斷斷續(xù)續(xù)，不穩(wěn)定。煤種為氣煤，煤巖類型為暗淡型，工作面區(qū)域內(nèi)基本無變化。目前，現(xiàn)場臨近工作面已經(jīng)回采完畢，8119工作面也已經(jīng)接近推進完畢，因此，擬將試驗點選擇F1斷層前100 m處，現(xiàn)場位置如圖1所示，8119工作面巖層性質(zhì)如圖2所示。

圖1 工作面位置

圖2 工作面巖層柱狀圖

2 靜態(tài)膨脹劑破巖機理

靜態(tài)膨脹劑主要成分為氧化鈣，與水混合后發(fā)生水合反應(yīng)生成氫氧化鈣。氫氧化鈣的固相體積比氧化鈣的固相體積大97.92%。此外，當固相體積增大時，反應(yīng)產(chǎn)物固相體積與分子內(nèi)部空隙體積增量之和超過反應(yīng)前后材料系統(tǒng)的空間，導(dǎo)致反應(yīng)前后材料體積增大，產(chǎn)生膨脹壓力[11-13]。

靜態(tài)膨脹劑用水攪拌均勻后，填充到頂板的鉆孔中，最初生成凝膠狀Ca(OH)2。隨著時間的延長，逐漸形成不定型的各向異性Ca(OH)2晶體顆粒，其體積膨脹兩倍。膨脹過程中產(chǎn)生膨脹壓力并逐漸增大，通?？蛇_30～40 MPa[14]。靜態(tài)膨脹劑產(chǎn)生的膨脹壓力作用于孔壁后，孔介質(zhì)單元體受到徑向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力的作用，這種應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致巖石破裂。該應(yīng)力狀態(tài)如圖3所示。

圖3 孔介質(zhì)單元體受力狀態(tài)圖

若A點受到的膨脹壓力σγ增大，其受到的拉應(yīng)力σθ也要增大；當σθ達到破碎體的最大抗拉強度時，A點處就會產(chǎn)生徑向裂紋；隨著σγ的不斷增大，徑向裂紋也在不斷增大、加深，直至被破碎體破碎[15]。

3 施工方案

3.1 鉆孔布置

合理的鉆孔直徑是避免鉆孔發(fā)生沖孔現(xiàn)象的重要參數(shù)，間排距的布置方式可以優(yōu)化頂板致裂效果，根據(jù)理論分析、實驗室實驗和工程實際，設(shè)計鉆孔參數(shù)如下，如圖4、5所示，巷道頂板一排布置5個鉆孔，間距800 mm，排距1800 mm，靠近保護煤柱最外側(cè)鉆孔沿巷道方向等間距900 m布置一列，整體呈現(xiàn)“T”分布。如圖4、5所示，鉆孔直徑Φ為70 mm，孔深18 m，與巷道頂板法線方向夾角為30°，水平夾角60°，傾向采空區(qū)一側(cè)。

圖4 鉆孔布置俯視圖

圖5 鉆孔布置側(cè)視圖

3.2 注漿

(1) 工藝流程

設(shè)計5119巷施工方案時，根據(jù)頂板的實際地質(zhì)條件確定所需的鉆孔參數(shù)、鉆孔分布和操作工序，需要在預(yù)裂的區(qū)段提前做好打孔工作，工序流程如圖6所示。

圖6 工藝流程圖

(2) 鉆孔注漿工藝

① 設(shè)備選擇

本次設(shè)備我們選擇煤礦用氣動注漿泵套裝，它由注漿泵、氣動攪拌器、攪拌桶三部分組成?，F(xiàn)有(ZBQ-12/2.5，ZBQ-27/1.5，ZBQ-35/1.0)等多種型號。主要用于礦山、隧道、水利、地鐵、建筑、橋梁的施工。用于注漿堵水、填縫、碎巖注漿加固、錨索注漿；用于路基、路基注漿、軟基處理等局部缺陷修補；消除地下抗洪搶險隱患。灌漿泵體積小，重量輕，使用可靠。適用于易燃易爆、溫濕度變化較大的場所。注漿泵的工作條件為：環(huán)境溫度：0～45℃；相對濕度不超過95%(在25°C時)；甲烷和空氣混合的煤礦；施工場合：煤礦瓦斯鉆孔封堵、工作面冒頂充填、快速砌筑封閉墻等。灌漿泵的結(jié)構(gòu)特點和工作原理如下：氣動注漿泵主要由注漿泵體、氣動攪拌器、攪拌筒等組成。注漿泵的工作原理：壓縮空氣為動力源，由于筒體與注漿筒體的面積比較大，因此小氣壓可使灌漿泵產(chǎn)生較大的灌漿壓力。

② 設(shè)備連接

根據(jù)圖7所示，封孔段位于頂煤部分，鉆孔成孔后，封孔階段需預(yù)先埋設(shè)1根注漿管，1根返漿管，返漿管置于孔底，用來判斷鉆孔膨脹劑漿液是否注滿孔底。

圖7 鉆孔注漿示意圖

(3) 注漿步驟

① 按實驗室測得的靜態(tài)膨脹劑與水重量比為10∶3的最優(yōu)配比(將膨脹劑倒入水中，順序不可逆)，用機械或手工(用手攪拌要戴橡膠手套)攪拌成具有流動性的均勻流體，一定要保證膨脹劑漿液完全溶解到水中。

② 打開注漿泵，開始注漿，攪拌后的流體必須在10 min內(nèi)充填在孔內(nèi)，超過10 min后，其流動性及破碎效果明顯降低。

③ 當返漿管有漿液流出時，表明鉆孔已經(jīng)基本注滿，停止注漿，對返漿管進行密封。

④ 注漿結(jié)束后，打開水管控制閥向注漿攪拌機內(nèi)注清水攪拌清洗，將清洗的廢液通過注漿鋼管排至采空區(qū)，之后將注漿攪拌機移至巷道寬敞處放好。

4 效果分析

8119工作面頂板注漿后數(shù)小時內(nèi)出現(xiàn)明顯的裂隙聲。隨著工作面繼續(xù)推進，巷道頂煤開始逐漸冒落。隨著自由面的增加，頂板的坍塌速度加快，在膨脹壓力的作用下，頂板砂礫巖逐漸開始破碎和坍塌。在又前進了一天之后，所測試區(qū)域幾乎完全垮落。白洞煤礦綜采工作面大面積懸頂區(qū)采用靜態(tài)膨脹劑，使頂板基本完全坍塌。與以前的懸頂距離相比，縮短了懸頂距離，達到了預(yù)期效果。該方法消除了綜采面大面積懸頂，完全避免了懸頂引起的瓦斯積聚和頂板大面積垮落。為確保煤礦安全生產(chǎn)，實現(xiàn)這些煤礦大規(guī)模連續(xù)高強度安全開采，提高煤礦生產(chǎn)和安全生產(chǎn)水平具有重要的現(xiàn)實意義，同時作為靜態(tài)膨脹劑在煤礦中的應(yīng)用實踐經(jīng)驗，完善了綜采大面積懸頂區(qū)無爆破破碎技術(shù)，對于類似條件的礦山安全開采具有重要的指導(dǎo)作用，具有現(xiàn)實意義。

5 結(jié)論

(1) 針對白洞煤礦綜采端頭大面積懸頂區(qū)頂板堅硬難以垮落問題，提出用靜態(tài)膨脹劑代替以往的爆破和水力壓裂等方法致裂頂板，有效解決了白洞煤礦8119工作面綜采端頭大面積懸頂致裂問題，保障了煤礦安全。

(2) 結(jié)合8119工作面實際情況，決定使用靜態(tài)膨脹劑處理綜采端頭大面積懸頂，分析懸頂形成原因和靜態(tài)膨脹劑的破巖機理，確定了工藝流程和施工方案，并對頂板致裂效果進行了觀察，結(jié)果表明，靜態(tài)膨脹劑作為一種新的處理堅硬頂板的新技術(shù)，具有安全、無污染、經(jīng)濟成本低等優(yōu)點，可以有效縮短懸頂距離，可被廣泛應(yīng)用于類似條件的礦井。