16502工作面靜態破碎技術處理采空區懸頂實踐

李海洋

（山西西山白家莊礦業有限責任公司，山西 太原 030053）

1 工程概況

山西西山晉興有限責任公司斜溝煤礦16502工作面位于6#煤層15采區，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，頂板較為堅硬，在工作面回采過程中兩端頭采空區經常出現懸頂面積大。隨著回采作業的進行，工作面端頭區域退錨作業完成以后，懸頂長度仍達到20m以上，威脅到回采工作面的安全。為加強16502工作面兩巷采空區懸頂的管理，確保工作面兩巷采空區頂板及時垮落，保證人員的作業安全，擬采用靜態破碎技術處理巷道端頭懸頂過長的問題。

表1 煤層頂底板情況表

2 靜態破碎技術原理

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

圖1 靜態破碎劑鉆孔膨脹力學分析模型

靜態破碎劑與水產生反應后，膨脹劑的膨脹力與時間呈現出增函數的函數關系，同理可知，鉆孔壁面的巖體受到的膨脹力同樣與反應時間呈現增函數的關系。具體靜態破碎劑鉆孔的各項受力表達式為：

式中：

σρ-始終為壓應力；

σθ-始終為拉應力；

q（t）-孔內膨脹壓隨時間的函數；

r-鉆孔的半徑；

ρ-鉆孔孔壁上任一點與孔心的距離。

隨著靜態破碎劑反應的進行，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，進而在鉆孔周邊形成的切向應力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育擴展。基于此，為有效分析裂隙擴展的長度及裂隙擴展所需的條件，建立斷裂力學裂紋擴展的分析模型。當鉆孔周邊裂紋出現初期，此時裂紋的半徑很小，可將其作為鉆孔孔壁的一部分，假設被破碎的巖體為無限大的板模型，則靜態破碎劑裂紋擴展的力學模型如圖2所示。

圖2 靜態破碎劑鉆孔裂紋擴展示意圖

其應力強度因子為：

式中：

KI*-裂紋尖端應力強度因子，N/mm3/2；

a-產生裂紋長度，mm；

d-鉆孔直徑，mm。

為簡化力學分析模型，隨著膨脹劑反應的進行，可進一步簡化裂紋的擴展模型，裂紋的擴展為中部膨脹壓力P的作用，簡化后的應力強度因子計算如下：

式中各項符號的含義同上，分析式（3）可知，當作用力P不變時，裂紋擴展長度與應力強度因子呈現反比例關系。當應力強度因子KI*大于等于欲破碎巖石的斷裂韌度時，裂紋長度會產生擴展，應力強度因子KI*會由于裂紋的擴展而消耗降低，進而達不到裂紋擴展的應力條件時鉆孔周圍的裂紋擴展將會停止。隨著破碎劑水化反應的進行，靜態碎裂劑在水化作用之下，出現裂紋擴展—止裂的周期性變化，直至靜態碎裂劑體積膨脹達到極限為止。根據裂紋擴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。聯立式（3）和（4）及裂紋擴展最小的止裂方程能夠得出靜態破碎劑鉆孔周圍裂隙區的半徑表達式如下：

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

3 方案設計與效果分析

根據16502工作面的具體地質條件，6#煤層基本頂為中粗砂巖，均厚15.05m，單軸抗壓強度52.4MPa。根據相關靜態破碎劑的試驗和工程實踐表明[1-2]，靜態破碎劑在水灰比為0.33時，膨脹壓力能夠達到100MPa，綜合考慮工程應用各項因素的影響，確定工業試驗時利用系數為0.65[3-4]，去破碎劑在0.33水灰比下的工業應用的膨脹壓力為65MPa，代入上式（5）中，能夠計算出鉆孔裂隙區半徑：

根據16502工作面的現場條件，為保證頂板的破碎效果，確定靜態破碎劑的水灰比為0.33m，鉆孔孔徑為60mm，鉆孔間距取0.8m，結合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靜態破碎劑鉆孔，孔徑60mm，朝向采空區呈60°角，孔間距為800mm，深度為20.0m，排距800mm。密集孔打設完畢后，工作面正常推進，待密集孔進入采空區4個循環（滯后切頂線3.2m）后，進行靜態破碎劑的裝藥、封孔作業，封孔長度為2.0m。靜態破碎劑鉆孔布置方式如圖3所示。封孔材料采用水泥—水玻璃雙液漿進行封孔，封孔長度為2m。在進行封孔作業時，應充分保障封孔效果，當封孔材料達到一定壓力后，再進行泵注破碎劑漿液的作業。

圖3 靜態破碎劑鉆孔布置方式示意圖

4 應用效果

16502工作面兩回采巷道采用靜態破碎技術后，靜態破碎技術試驗段頂板在注入破碎劑漿液之后，隨著工作面回采作業的進行，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展。隨著回采作業的進行，當工作面推進超過靜態破碎技術試驗區域11m后，試驗區域頂板基本完全垮落，相比之前工作面最長懸頂長度20m，采用靜態破碎技術后，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。