靜態煤巖脹裂劑在高瓦斯礦井中的應用淺析

曾一鳴

（山西高河能源有限公司 ,山西 長治 046000）

1 工程概況

高河煤礦為高瓦斯礦井，W1310低位放頂煤綜采工作面位于該礦西一盤區，開采3#煤，煤層埋深約464.5m，煤層傾角為1°～7°，煤層厚度6～7m，平均厚度6.5m，屬于近水平厚煤層，煤層間夾有一層厚度0.2m左右的炭質泥巖矸石，工作面標高：417.302～496.69m，切眼長度320m，進風順槽全長為1872m，回風順槽全長為5156m。3#距離下部9#煤層約65m。W1310工作面巷道布置平面圖如圖1所示。W1310工作面進風順槽采用錨索網+鋼筋梯子梁聯合支護，頂板錨桿選用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，巷幫錨桿選用螺紋鋼錨桿，具體支護參數如圖2所示。該礦在W1310工作面回采過程中出現順槽后方端頭不易隨采垮落，懸頂距離過大的問題，從而導致巷道支撐壓力增大、通風系統漏風、上隅角瓦斯積聚等問題的出現，現礦方擬采用“靜態煤巖脹裂劑”作為膨脹材料進行順槽后方端頭頂板的靜態破碎，從而解決上述問題。

圖1 W1310工作面巷道布置平面圖

2 靜態脹裂劑的特性分析

2.1 脹裂劑膨脹壓與孔徑關系

為了研究靜態煤巖脹裂劑的膨脹壓與孔徑的關系，現在國標JC-506-2008的要求下，選用4組孔徑不同的粘有應變片的Q235鋼管進行脹裂試驗，測試不同孔徑下脹裂劑所產生的膨脹壓力，其內徑分別為15mm、20mm、32mm、40mm， 外 徑 分 別 為 20mm、25mm、32mm、48mm。所測數據如表1所示。

圖2 進風順槽斷面支護圖

通過觀察表1可發現：脹裂劑所產生的膨脹壓力的大小與孔徑大小呈線性關系，即脹裂劑所產生膨脹壓力隨著孔徑的增大而增大。實驗發現：孔徑為40mm時，可產生85MPa左右的膨脹壓力。然而孔徑越大，沖孔現象越嚴重，因此設計孔徑時，不易過大，也不易過小。鑒于工程實際中的應用，孔徑40mm是最符合實際工程應用的。

表1 不同孔徑下脹裂劑的膨脹壓力

2.2 數值模型的建立

根據高河礦W1310工作面上覆巖層煤巖體的物理力學參數，并結合現場頂板支護參數，孔距設計為800mm。通過ANSYS4.0軟件中材料的熱膨脹性建立模型模擬脹裂劑在煤巖體的膨脹過程。模型的尺寸為5m×5m×5m，鉆孔間距為0.8m，鉆孔孔徑為40mm。煤的彈性模量取2GPa，泊松比取0.3，單軸抗壓強度取2.1MPa，靜態煤巖脹裂劑的線膨脹系數取1×10-4。通過對靜態煤巖脹裂劑施加溫度來實現加載[1]。

2.3 數值模擬結果分析

煤體在靜態煤巖脹裂劑的作用下致裂剝落的過程如圖3所示。觀察圖3發現，圖3（a）中由于脹裂劑的作用時間太短，脹裂劑還未能產生較大的膨脹壓力，所以并沒有在鉆孔附近發現脹裂裂縫。圖3（b）中綠色圓圈代表產生裂縫的位置，網格間有綠色圓圈出現，表明靜態煤巖脹裂劑開始發揮作用，煤體鉆孔周圍開始出現少量裂縫。圖3（c）中隨著時長的增加，靜態煤巖脹裂劑進一步膨脹，綠色圓圈明顯增多，表明煤體鉆孔周圍的裂縫數量明顯增加。圖3（d）中靜態脹裂劑繼續膨脹，可以明顯看到鉆孔周圍的脹裂裂縫，并向另一個鉆孔貫穿。圖3（e）中靜態脹裂劑的膨脹速度達到高峰，鉆孔周圍的脹裂裂縫明顯增加，并且可以明顯的觀察道兩個鉆孔間產生了貫穿裂縫，并且圖中可以觀察到紅色圓圈的出現，說明這一區域產生y方向裂縫，致裂效果良好。圖3-（f）靜態煤巖脹裂劑進一步膨脹，可以觀察到各鉆孔之間的貫通裂縫迅速增加，裂縫密度和裂縫寬度不斷增大，圖中紅色圓圈的數量也逐漸增多，即y方向的裂縫在不斷增加。

圖3 靜態煤巖脹裂劑作用下煤體的開裂冒落過程

綜上：靜態煤巖脹裂劑在剛注入煤體鉆孔時，由于脹裂劑的作用時間太短，脹裂劑所產生的膨脹壓較小，致裂效果不明顯，但隨著脹裂劑作用時長的增加，脹裂劑產生較大的膨脹壓力，并且逐步會產生兩個鉆孔間的貫穿裂縫，同時產生y方向的裂縫，致使煤巖體開裂冒落，致裂效果良好。靜態脹裂劑在模擬中破碎效果良好，并且0.8m的孔間距和40mm的孔徑合理。

3 工作面頂板靜態破碎技術

3.1 鉆孔的布置

考慮到高河煤礦W1310工作面覆巖性質及頂板巖層的節理、裂隙發育、構造的發育情況，并結合現場頂板支護參數，鉆孔的孔距和排拒均設計為800mm。注漿鉆孔的打孔深度為目標破碎深度的90%，根據現場具體情況，設計注漿鉆孔與巷道軸線向采空側方向的夾角為45°，鉆孔的長度為5000mm，具體布置參數如圖4所示。

圖4 運輸順槽鉆孔布置示意圖

3.2 鉆孔注漿[2-3]

現場作業時發現該順槽頂板覆巖有離層移動的現象，因此所打鉆孔內部不平整，鉆孔內部有裂隙存在，為了避免向鉆孔內注靜態脹裂劑時，漿液從裂隙向圍巖中滲漏，造成脹裂劑的浪費，需要在注漿作業前使用ZF-A22封孔器在距離孔口約0.5m處進行封孔。具體的注漿步驟如下：

1）注漿鉆孔布置方案：注漿鉆孔與巷道軸線向采空側方向的夾角為45°，鉆孔的長度為5000mm，孔距為800mm，排拒為800mm，鉆孔直徑為40mm。

2）注漿前準備工作：在鉆孔作業前，必須進行“敲幫問頂”，避免在鉆孔時發生圍巖剝落的現象，對設備和人員造成不必要的傷害；作業前調試注漿泵、錨桿鉆機、風管等設備，避免注漿過程中設備出現問題，耽誤施工進程。

3）臨時支護的布置：在順槽后方端頭需要靜態脹裂劑致裂頂板的區域內，用單體支柱進行巷道的臨時支護，支設臨時支護的范圍和密度根據現場作業條件進行調整，要保證施工人員有足夠的作業空間。

4）鉆眼：支設臨時支護后，根據設計方案，在頂板上開始鉆孔。

5）封孔：在注漿作業前使用ZF-A22封孔器在距離孔口約0.5m處進行封孔。

6）退錨：在順槽后方端頭需要靜態脹裂劑致裂頂板的區域內進行頂板錨索的退錨作業；退錨率要求在85%以上，由于現場實際情況退錨率達不到85%時，需要加強支護。

7）靜態脹裂劑漿液的配制：啊靜態脹裂劑的配比為水：煤巖脹裂劑=3：7，使用攪拌器將其攪拌成均勻的具有良好流動性的漿液，在漿液攪拌均勻的10分鐘內完成鉆孔內的注漿作業，否側會因為時間過長，降低漿液的流動性，從而降低脹裂劑的脹裂效果[4]。

8）注漿作業：根據經驗，注漿過程中要求終孔壓力大于2MPa，每個鉆孔需要0.02m3的靜態脹裂劑。

9）拆除臨時支護：待注漿工作完成后，將所支設的單體支柱臨時支護拆除，結束本循環的注漿作業。

3.3 頂板破碎效果

在頂板靜態破碎技術實施前高河煤礦W1310工作面落山頂板下沉緩慢，落山懸頂長度大約在20m以上，在頂板靜態破碎技術實施后數小時內，可以觀察到工作面頂板有明顯的脹裂的聲響，工業性試驗結束后第二天，發現落山巷道頂煤開始逐步冒落，在增加了自由面后，頂板的塌落速度明顯加快，老頂中粒砂巖在礦山壓力作用下也逐步開始塌落，靠近采空區側巷道后方端頭的懸頂距離明顯減小，靜態脹裂劑的使用取得了不錯的效果。

4 結 論

1）通過ANSYS4.0軟件中材料的熱膨脹性建立模型模擬脹裂劑在煤巖體的膨脹過程，發現靜態煤巖脹裂劑在注入鉆孔的初始階段，膨脹較為緩慢，但之后將迅速膨脹，膨脹產生的裂縫向其相鄰鉆孔一側發展，并且會產生y方向的裂縫，隨著時長的增加最終裂縫貫通，致使煤巖體開裂冒落。靜態脹裂劑在模擬中破碎效果良好。

2）通過現場實測發現在采取了工作面頂板靜態破碎的治理措施后，高河煤礦W1310工作面頂板在施工后數小時內就有明顯的脹裂的聲響，并且第二天頂板的塌落速度明顯加快，老頂中粒砂巖在礦山壓力作用下也逐步開始塌落，靠近采空區側巷道后方端頭的懸頂距離明顯減小，靜態脹裂劑的使用取得了不錯的效果。