厚煤層工作面窄煤柱沿空掘巷靜態(tài)切頂技術(shù)研究

徐 旸

(潞安化工集團(tuán) 陽(yáng)泉五礦,山西 平定 045209)

近年來(lái),井工開(kāi)采煤礦通常采用窄煤柱沿空掘巷技術(shù)作為提高采出率、高效開(kāi)采的重要手段,然而,煤柱寬度的減小也伴隨著礦壓顯現(xiàn)加劇、采空區(qū)漏風(fēng)巷道變形嚴(yán)重等問(wèn)題,對(duì)巷道圍巖和煤柱穩(wěn)定性帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。而切頂卸壓則通過(guò)爆破等手段實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板巖層的主動(dòng)控制,破壞覆巖關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的完整性,達(dá)到降低巷道和煤柱載荷的效果。但由于高瓦斯或一些特殊地質(zhì)條件的影響,爆破切頂對(duì)圍巖擾動(dòng)較大,火工品的使用也具有一定局限性,因此,提出采用靜態(tài)破碎切頂卸壓技術(shù),通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹來(lái)達(dá)到破斷巖層的效果。

靜態(tài)破碎切頂卸壓技術(shù)是通過(guò)靜態(tài)破碎劑中的固體相物質(zhì)與水充分融合,在水化反應(yīng)的作用下產(chǎn)生體積膨脹,進(jìn)而利用巖石“耐壓怕拉”的特性實(shí)現(xiàn)巖石的破碎,具有圍巖無(wú)沖擊、反應(yīng)無(wú)噪聲的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也針對(duì)靜態(tài)破碎劑及其作用效果進(jìn)行了大量研究。張志偉等[1]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了影響靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的多種因素,認(rèn)為水灰質(zhì)量比影響最大,并明確了靜態(tài)破碎劑多孔致裂巖石時(shí),可通過(guò)增大孔徑和減小孔間距來(lái)提高破碎效果。羅明坤等[2]利用正交實(shí)驗(yàn)分析了不同配比形式的靜態(tài)破碎劑性能,認(rèn)為氧化鈣含量在70%以上致裂效果最佳,且其裂縫擴(kuò)展是以巖石弱面為導(dǎo)向的。

綜合可知,靜態(tài)破碎劑在不同反應(yīng)時(shí)間、水灰質(zhì)量比等影響下,其膨脹效果也不同,同時(shí),對(duì)于不同地質(zhì)條件下的靜態(tài)破碎切頂卸壓應(yīng)用需因地制宜,制定合理切頂方案。因此,本文以某礦5303工作面為背景,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件和靜態(tài)破碎劑膨脹參數(shù),通過(guò)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分別針對(duì)靜態(tài)破碎劑破巖效果和切頂方案進(jìn)行分析,為窄煤柱沿空掘巷的成功應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

某礦核定產(chǎn)能為3×106t/a,主采煤層為5號(hào)煤層,煤層厚度8.9～10.1 m,平均厚度9.5 m,煤層傾角1°～3°,平均傾角1°,為近水平煤層,礦井內(nèi)瓦斯含量極低,屬低瓦斯礦井,有煤塵爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

5303工作面位于5號(hào)煤層3盤區(qū),為綜放工作面,共布置有回采巷道3條,分別為開(kāi)切眼、回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷。工作面東側(cè)為5301工作面(已采完),西側(cè)為5305工作面、北側(cè)為運(yùn)輸大巷、南側(cè)為井田邊界。5303回風(fēng)巷設(shè)計(jì)為寬×高=4.2 m×2.8 m的矩形斷面,沿底掘進(jìn),屬沿空掘巷。5303工作面采掘工程平面如圖1所示。

圖1 5303工作面采掘平面圖

5303工作面頂板主要為砂巖,其中直接頂為2.9 m的砂質(zhì)泥巖,裂隙發(fā)育,整體強(qiáng)度較低;基本頂為12.1 m的粗粒砂巖,以石英礦物為主,整體強(qiáng)度相對(duì)較高,屬厚硬巖層;直接底為1.8 m的泥巖,裂隙呈垂直分布,容易在底板水的作用下發(fā)生軟化。5303工作面頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 5303工作面頂?shù)装迩闆r

目前5101工作面即將開(kāi)采完成,為提高工作面采出率,減少煤炭資源的浪費(fèi),選擇采用窄煤柱沿空掘巷技術(shù),但由于其頂板存在12.1 m厚的砂巖層,完整性較好,屬于厚硬巖層,在上區(qū)段工作面回采完成后,容易導(dǎo)致側(cè)向懸臂梁長(zhǎng)度較長(zhǎng),增大煤柱所受載荷,因此,選擇采用靜態(tài)破碎切頂卸壓技術(shù),通過(guò)采空側(cè)切頂減小側(cè)向懸臂梁長(zhǎng)度,降低多次擾動(dòng)對(duì)煤柱形成的應(yīng)力集中現(xiàn)象,為窄煤柱沿空掘巷的成功應(yīng)用提供有力技術(shù)支持。

2 靜態(tài)破碎劑破巖機(jī)理分析

2.1 靜態(tài)破碎劑膨脹原理

靜態(tài)破碎劑是粉末狀固體材料,通常與水充分融合形成流體,通過(guò)高壓泵注輸入鉆孔內(nèi)并密封嚴(yán)實(shí)形成密閉空間,在一定時(shí)間后水被破碎劑充分吸收并發(fā)生膨脹從而達(dá)到破巖的目的。靜態(tài)破碎劑主要是由大量氧化鈣,配合少量減水劑、水化控制劑等有機(jī)化合物組成的高效膨脹破碎劑。其中氧化鈣通過(guò)水化反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹,形成膨脹壓力,高效減水劑在水灰比較低的情況下保證溶液的流動(dòng)性,水化控制劑可增加破碎劑水化反應(yīng)時(shí)間,在現(xiàn)場(chǎng)施工中保證充分?jǐn)嚢韬统渥愕谋米r(shí)間。

靜態(tài)破碎劑中氧化鈣發(fā)生的水化反應(yīng)屬于放熱反應(yīng),其反應(yīng)方程式如下。

CaO+H2OCa(OH)2+64.9 KJ·mol-1

氧化鈣發(fā)生水化反應(yīng)生成的產(chǎn)物為氫氧化鈣,其分子體積是氧化鈣分子的2倍,相對(duì)分子質(zhì)量是氧化鈣分子的1.36倍,密度是氧化鈣分子的0.67倍,綜合反應(yīng)至其宏觀體積是氧化鈣的兩倍,因此,若將其溶液輸入至理想密閉空間內(nèi)并產(chǎn)生水化反應(yīng),其體積膨脹所施加的壓力可達(dá)到100 MPa以上。水化膨脹壓力作用示意如圖2所示。

圖2 水化膨脹壓力作用示意

靜態(tài)破碎劑的宏觀破壞過(guò)程大致分為3個(gè)階段。

1) 初裂階段:即由于初期孔內(nèi)氧化鈣水化反應(yīng)較慢,其作用在孔內(nèi)的膨脹壓較小,產(chǎn)生的拉應(yīng)力僅能形成一些微小裂隙,且范圍較小。

2) 發(fā)展階段:此時(shí)微小裂隙內(nèi)也充滿破碎劑溶液并同樣在發(fā)生膨脹,其微小裂隙擴(kuò)展形成裂紋。

3) 破碎階段:隨著裂紋張度、密度和數(shù)量的增加,裂紋與裂紋之間相互貫通,從而形成破壞。

2.2 多孔破碎擴(kuò)展機(jī)理

在靜態(tài)破碎技術(shù)的應(yīng)用中,通常是由多個(gè)破碎孔組合破碎形成斷裂面,達(dá)到破碎巖體的效果。其多孔破碎擴(kuò)展機(jī)理示意如圖3所示。

圖3 多孔破碎擴(kuò)展示意

根據(jù)圖3可知,當(dāng)巖體處于多孔破碎條件下時(shí),其孔與孔之間的巖體受力情況根據(jù)孔間距的不同可分為單影響和雙影響區(qū)域兩種,其中雙影響區(qū)域位于兩孔破碎影響重合區(qū)域,同樣也是破壞最大區(qū)域,可視為單孔膨脹力疊加作用形成的。在兩孔之間的連線上的任一單元體所受最大和最小應(yīng)力分別記為σmax和σmin.巖體為脆性材料,其抗拉強(qiáng)度通常為抗壓強(qiáng)度的1/7,遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。當(dāng)巖體內(nèi)某一點(diǎn)由膨脹壓產(chǎn)生的σmax首先大于其巖體抗拉強(qiáng)度時(shí),巖體內(nèi)部出現(xiàn)微小裂紋,而當(dāng)σmin超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí),巖體則發(fā)生完全破壞,在雙影響區(qū)域內(nèi),由于其破碎區(qū)的重疊,取該區(qū)域內(nèi)一單元體分析可知,均受到兩個(gè)孔同時(shí)膨脹作用下的疊加力,此時(shí)該單元體所受最小應(yīng)力也可達(dá)到巖體破壞強(qiáng)度,因此,該區(qū)域巖體首先會(huì)產(chǎn)生拉伸破壞。

3 靜態(tài)破碎膨脹及力學(xué)性能分析

3.1 靜態(tài)破碎劑體積膨脹效果分析

為針對(duì)分析不同水灰質(zhì)量比對(duì)靜態(tài)破碎劑體積膨脹效果的影響,選擇廣西飛鷹牌靜態(tài)破碎劑,并采用0.4、0.5、0.6三種水灰質(zhì)量比,50 mL和100 mL兩種靜態(tài)破碎劑體積進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),每組實(shí)驗(yàn)測(cè)試3次。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度25 ℃,水溫23 ℃,實(shí)驗(yàn)用水為普通清潔水,體積測(cè)量使用開(kāi)放式燒杯,膨脹前體積為溶液體積,膨脹后體積測(cè)量時(shí)充分?jǐn)嚢韫袒勰┲帘砻娉势秸麪顟B(tài)。其50 mL和100 mL靜態(tài)破碎劑粉末的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 50 mL破碎劑不同水灰質(zhì)量比的體積膨脹效果

圖5 100 mL破碎劑不同水灰質(zhì)量比的體積膨脹效果

由圖4、圖5分析可知,不同水灰質(zhì)量比下的靜態(tài)破碎劑膨脹體積隨著水灰質(zhì)量比的增大呈減小狀態(tài)。其中當(dāng)靜態(tài)破碎劑為50 mL時(shí),水灰質(zhì)量比0.4膨脹效果最好,其膨脹前體積為70 mL,膨脹后為249 mL,體積膨脹率為356%,水灰質(zhì)量比0.6膨脹效果最差,體積膨脹率為308%.當(dāng)靜態(tài)破碎劑為100 mL時(shí),水灰質(zhì)量比0.4膨脹效果仍最好,體積膨脹率為360%,水灰質(zhì)量比0.6膨脹效果最差,體積膨脹率為310%.在同樣水灰質(zhì)量比,不同靜態(tài)破碎劑體積下其膨脹率基本一致,由此表明,水灰質(zhì)量比越小,膨脹效果越好,且無(wú)尺度效應(yīng)的影響。

3.2 靜態(tài)破碎劑膨脹壓測(cè)試

靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的測(cè)量需保證其水化反應(yīng)區(qū)域?yàn)橐幻荛]空間,且該空間在反應(yīng)時(shí)間內(nèi)需保持完好狀態(tài)[3],因此,選擇一端密封,一端配有專用封孔器的無(wú)縫鋼管(鋼管力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2)模擬鉆孔密閉空間。采用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)量鋼管表面的微小應(yīng)變,從而通過(guò)應(yīng)變和鋼管材料性質(zhì)即可定量表征膨脹壓力。應(yīng)變片測(cè)試區(qū)域分為鋼管中部和底部?jī)蓚€(gè)區(qū)域。其膨脹壓計(jì)算公式如下:

表2 無(wú)縫鋼管力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

p=ES(K2-1)[εθ/2-v]

(1)

式中:p為膨脹壓力,MPa;E為鋼管彈性模量,MPa;ε為鋼管應(yīng)變;v為鋼管泊松比;K為鋼管外徑與內(nèi)徑的比值。

根據(jù)前文分析得出水灰質(zhì)量比為0.4時(shí)膨脹效率最佳,因此,選擇在水灰質(zhì)量比0.4的進(jìn)行膨脹壓力測(cè)試,鋼管應(yīng)變數(shù)據(jù)反算后隨時(shí)間變化的膨脹壓力如圖6所示。

圖6 膨脹壓力隨時(shí)間變化規(guī)律

由圖6分析可知,膨脹壓力隨著水化反應(yīng)時(shí)間的增加呈對(duì)數(shù)規(guī)律增加,整體呈急-緩的變化趨勢(shì),其中膨脹壓力在0～6 h時(shí)為快速反應(yīng)階段,6～12 h為完全反應(yīng)階段。膨脹壓力在第6 h基本達(dá)到峰值,其中底部區(qū)域較中部區(qū)域峰值壓力較大,分別為62.2 MPa和51.9 MPa,該現(xiàn)象表明底部破碎劑由于沉淀現(xiàn)象,水灰質(zhì)量比增大,反應(yīng)速度加快且膨脹壓力也有所增加。在第6～12 h之間,由于水分子被氧化鈣分子充分吸收,水化反應(yīng)已基本完成,其膨脹壓力處于穩(wěn)定階段。

綜合分析可知,膨脹壓力主要是通過(guò)拉應(yīng)力來(lái)破壞巖體,而靜態(tài)破碎劑所產(chǎn)生的膨脹壓力最高可達(dá)62.2 MPa,若考慮密封性等現(xiàn)場(chǎng)因素,取富裕系數(shù)0.5,膨脹壓力仍可達(dá)31.1 MPa,遠(yuǎn)高于工作面巖層抗拉強(qiáng)度,由此表明該靜態(tài)破碎劑可以達(dá)到預(yù)計(jì)破碎效果。

4 靜態(tài)破碎切頂卸壓方案

1) 頂板處理高度。根據(jù)關(guān)鍵層理論,覆巖中的基本頂破斷及其運(yùn)移對(duì)于巷道和煤柱穩(wěn)定性有著重要影響[4]。根據(jù)5303工作面地質(zhì)條件可知,基本頂為12.1 m的粗粒砂巖,若處理高度可破壞該巖層,使得該巖層在人為控制下沿煤柱采空側(cè)發(fā)生相對(duì)位移,不僅破壞了覆巖中厚硬巖層的完整性,還減小了懸臂梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)的側(cè)向支撐壓力對(duì)煤柱的影響,因此,確定切頂高度為21.6 m.

2) 鉆孔間距及布置方式。切頂鉆孔的合理間距確定及其布置方式可以在提高卸壓效果的同時(shí),適當(dāng)減少工程量。根據(jù)前文分析可知,在多孔破碎條件下,其雙影響區(qū)域破碎程度較高,但對(duì)于切頂工程來(lái)說(shuō),厚硬巖層的破斷是通過(guò)孔與孔之間的裂隙聯(lián)通[5],形成斷裂面后在礦山壓力的作用下發(fā)生破壞,因此,可將鉆孔間距適當(dāng)放大,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步確定為1 m,同時(shí)選擇隔孔裝藥的方式,空孔可為裂隙擴(kuò)展提供自由面和定向的作用。

3) 鉆孔角度。根據(jù)巖層自然垮落角,即巖層在斷裂后,兩側(cè)巖塊發(fā)生相對(duì)滑移的最佳角度為75°,因此,可初步確定切頂角度為75°.

4) 裝藥量。為防止基本頂?shù)耐蝗豢迓鋵?duì)煤柱形成沖擊破壞,可保留直接頂巖層的完整性作為沖擊緩沖層,即垂直高度9.5 m,鉆孔深度9.8 m處放置封孔器,9.8～22.4 m為裝藥高度。

靜態(tài)破碎切頂卸壓鉆孔布置方案如圖7所示。

圖7 切頂鉆孔布置示意

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

為分析靜態(tài)破碎切頂卸壓技術(shù)及其方案在窄煤柱沿空掘巷上的應(yīng)用效果,在5301回風(fēng)巷內(nèi)布置一組測(cè)站,測(cè)站包括表面位移監(jiān)測(cè)和煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè),其中表面位移采用紅外測(cè)距儀測(cè)量,煤柱應(yīng)力采用錨桿測(cè)力計(jì)測(cè)量。收集5303工作面回采期間回風(fēng)巷表面位移量和煤柱應(yīng)力并繪制曲線如圖8、圖9所示。

圖8 回風(fēng)巷表面位移曲線

圖9 錨桿受力曲線

由圖8分析可知,回風(fēng)巷圍巖變形量隨著工作面與測(cè)點(diǎn)距離的減小而增加,并且整體呈先緩慢增加后急速增加的變化趨勢(shì)。其中拐點(diǎn)為工作面與測(cè)點(diǎn)距離30 m左右,此時(shí)圍巖變形量曲線斜率大幅增加,這表明5303工作面回采時(shí),其超前支撐壓力影響范圍為30 m.巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?55 mm,兩幫最大變形量為85 mm,這表明由于巷道跨度較大,頂板較兩幫變形量要大。但整體來(lái)看,回風(fēng)巷圍巖峰值變形量仍處于較低水平,這表明煤柱穩(wěn)定性較好,可對(duì)覆巖形成一定支撐作用,進(jìn)而巷道圍巖穩(wěn)定性也有所改善。

由圖9分析可知,錨桿所受載荷隨著工作面與測(cè)點(diǎn)距離的增大而增大,其中以工作面距離測(cè)點(diǎn)30 m時(shí)為拐點(diǎn)。當(dāng)工作面距離測(cè)點(diǎn)30～90 m時(shí),錨桿受力在60～71 kN,此時(shí)由于距離工作面較遠(yuǎn),該處煤柱未受到工作面采動(dòng)影響。當(dāng)工作面回采至距離測(cè)點(diǎn)30 m范圍內(nèi)時(shí),錨桿受力驟增,由71 kN增加至119 kN,增幅達(dá)1.6 kN/m.5303工作面采用直徑為20 mm的BHRB335螺紋鋼錨桿,其破斷載荷為154 kN,根據(jù)錨桿測(cè)力計(jì)可知,雖幫錨桿受力較大,但其峰值受力仍低于錨桿破斷載荷,僅為破斷載荷的76%.綜合可知,錨桿受力處于正常范圍內(nèi),煤柱處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 分析并得出了靜態(tài)破碎劑的破巖機(jī)理是通過(guò)水化反應(yīng)在密閉孔內(nèi)產(chǎn)生體積膨脹從而形成徑向膨脹力,并且在多孔破碎條件下,其雙影響區(qū)域內(nèi)巖體破壞效率最高。

2) 根據(jù)靜態(tài)破碎劑體積膨脹實(shí)驗(yàn)和膨脹壓力實(shí)驗(yàn)得出,水灰質(zhì)量比越大其體積膨脹效率越低,且當(dāng)水灰質(zhì)量比一定時(shí),孔底部的膨脹壓力要大于孔中部,其最大膨脹壓力分別可達(dá)到62.2 MPa和51.9 MPa,遠(yuǎn)高于5303工作面各巖層的抗拉強(qiáng)度。

3) 根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析確定了切頂卸壓方案為:切頂高度21.6 m,鉆孔間距1 m,鉆孔深度22.4 m,仰角75°朝向煤柱側(cè),鉆孔裝藥段為9.8～22.4 m,隔孔裝藥。

4) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果可知,5303工作面采動(dòng)影響范圍為30 m左右,且在工作面回采期間,巷道頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?55 mm,兩幫最大變形量為85 mm,巷道圍巖變形量較小,錨桿最大受力為119 kN,低于錨桿破斷載荷,巷道圍巖及煤柱均處于穩(wěn)定狀態(tài)。