靜力定向破巖技術(shù)在處理巷道懸頂問(wèn)題中的研究與應(yīng)用

張志偉，謝益盛，張鵬鵬，3

(1.山西安煤礦業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司，山西 太原 030006；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 中興煤業(yè)公司，山西 交城 030500)

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采深度的增加，煤層的地質(zhì)及賦存條件逐漸趨于復(fù)雜化，在復(fù)雜地質(zhì)條件下回采巷道一般需采用“錨桿+補(bǔ)強(qiáng)錨索”結(jié)合的高強(qiáng)度支護(hù)方式[1-3]。隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，回采巷道在錨桿與錨索的聯(lián)合作用下頂板難以垮落，造成工作面端頭巷道懸頂過(guò)長(zhǎng)，給工作面安全生產(chǎn)帶來(lái)威脅。目前解決回采巷道懸頂過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題的傳統(tǒng)方法為預(yù)裂爆破，但預(yù)裂爆破會(huì)產(chǎn)生CO、SO2、NO等有毒氣體，污染工作面的環(huán)境，另外在高瓦斯礦井采空區(qū)嚴(yán)禁使用火工品。基于上述問(wèn)題，在此提出采用靜態(tài)定向破巖技術(shù)處理巷道懸頂過(guò)長(zhǎng)問(wèn)題的方案。

靜態(tài)破碎技術(shù)是利用靜態(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的方法[4-6]，其具有膨脹性能高、無(wú)噪音、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，目前采礦、土木等多個(gè)工程領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始逐步利用靜態(tài)破碎技術(shù)代替炸藥爆破。針對(duì)靜態(tài)破碎劑的原理及應(yīng)用方面，眾多學(xué)者開(kāi)展了大量研究。羅明坤、李勝等[7]進(jìn)行靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的實(shí)驗(yàn)研究，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了破碎劑的最佳水灰比；戴興航、張鳳鵬等[8]對(duì)不同水劑比、不同孔徑下軸向膨脹壓力與徑向膨脹壓力的關(guān)系進(jìn)行了研究；翟成、武世亮等[9]分析破碎劑噴孔現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理，同時(shí)采用單因素分析法研究孔徑、水灰配比、環(huán)境溫度對(duì)破碎劑噴孔現(xiàn)象的影響程度。在工程應(yīng)用方面，郝兵元、李澤華等[10]結(jié)合聲發(fā)射試驗(yàn)對(duì)靜態(tài)破碎技術(shù)處理高瓦斯礦井懸頂問(wèn)題進(jìn)行了研究；姜楠、徐全軍等[11]主要研究分析了傳統(tǒng)的破巖技術(shù)與大孔徑破巖技術(shù)之間的差異與區(qū)別。本文主要在理論研究的基礎(chǔ)上對(duì)靜態(tài)破碎劑處理懸頂問(wèn)題時(shí)具體的破巖機(jī)理、施工工藝進(jìn)行論述，為運(yùn)用靜態(tài)破碎劑處理懸頂?shù)念愃乒こ虇?wèn)題提供參考。

1 靜態(tài)破碎劑膨脹力學(xué)性能試驗(yàn)

本次試驗(yàn)在建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“JC506—2008”無(wú)聲破碎劑[12]所提供的試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，考慮到水化反應(yīng)放熱會(huì)影響應(yīng)變片的量測(cè)，導(dǎo)致基于應(yīng)變片得出的應(yīng)變值出現(xiàn)一定的誤差，為消除水化反應(yīng)放熱對(duì)應(yīng)變片的影響，現(xiàn)使用密封膠替代原有標(biāo)準(zhǔn)中的塑料袋對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行有效封閉，其余根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)靜態(tài)破碎劑膨脹壓力的測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)量裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

破碎劑徑向膨脹壓力計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

P=ES(K2-1)[εθ/2-μ]

(1)

式中，P為鋼筒所受水化反應(yīng)產(chǎn)生的徑向膨脹壓力，MPa；ES為鋼筒的彈性模量，Q235B型鋼管為 2.06×105MPa；K為鋼管內(nèi)外徑比；為鋼管徑向應(yīng)變；μ為鋼筒泊松比，取0.3。

試驗(yàn)所用靜態(tài)破碎劑經(jīng)0.9mm方孔篩并在干燥防水的條件下保存，其他主要儀器和材料的參數(shù)與規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)主要設(shè)備規(guī)格與參數(shù)

首先在鋼管內(nèi)徑為40mm，破碎劑水灰比分別為0.25、0.28、0.33、0.43的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，得出破碎劑隨時(shí)間變化的曲線如圖2所示。

圖2 不同水灰比下徑向膨脹壓—時(shí)間曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在孔徑為40mm時(shí)，隨著水灰比的減小，破碎劑的徑向膨脹壓力逐漸增大，本次試驗(yàn)中徑向膨脹壓力在水灰比為0.25時(shí)達(dá)到最大，其值達(dá)到90.9MPa。在具體工程應(yīng)用中，由于漿液需要一定的流動(dòng)性，在水灰比小于0.2時(shí)，破碎劑與水之間不能有效的形成漿體，流動(dòng)性差；當(dāng)水灰比大于0.35時(shí)，漿液具備良好的流動(dòng)性，但根據(jù)試驗(yàn)知其膨脹壓力較小，不能對(duì)巖體達(dá)到有效的破碎效果，基于此確定工程應(yīng)用時(shí)靜態(tài)破碎劑合理的水灰比在0.2～0.35范圍內(nèi)，綜合考慮確定工業(yè)應(yīng)用漿液的水灰比為0.33，并進(jìn)行水灰配比為0.33時(shí)，內(nèi)徑分別為30mm、40mm、50mm、60mm時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 水灰比0.33時(shí)徑向膨脹壓—孔徑曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果知鋼管的軸向與徑向應(yīng)變比會(huì)隨著孔徑的增大而逐漸增大，即隨著孔徑的增大，軸向與徑向膨脹壓之間的差距逐漸減小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是水化產(chǎn)物在鋼管內(nèi)逐漸處于流體狀態(tài)，漿液在小孔徑的鉆孔中會(huì)出現(xiàn)自封孔效應(yīng)，隨著孔徑的增大，水化產(chǎn)物的產(chǎn)生造成的自封孔效應(yīng)會(huì)逐漸消失；基于此次試驗(yàn)結(jié)果中知孔徑為60mm水灰比為0.33時(shí)，破碎劑的徑向膨脹壓力可達(dá)72MPa。

2 多孔加壓下巖石的開(kāi)裂理論

在多孔條件下破巖時(shí)，根據(jù)破巖時(shí)孔與孔之間軸心的位置關(guān)系可分為同軸布孔與異形布孔2種方式，對(duì)于多孔加壓破碎的作用機(jī)理，可以從雙孔加壓的模型出發(fā)。故先建立雙孔加壓的力學(xué)模型，如圖4所示。該雙孔模型以異徑為例，圖中O1表示裝藥孔1；O2表示裝藥孔2；l為孔軸心間的凈距，m；r為裝藥孔1到孔距某點(diǎn)處的距離，m；q1(t)、q2(t)分別表示孔內(nèi)膨脹壓隨時(shí)間的函數(shù)。

圖4 雙孔加壓力學(xué)模型

在實(shí)際施工中由于被破碎巖體的截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔直徑，故相對(duì)于鉆孔而言被破碎巖體即可視為無(wú)限大的彈性體，同時(shí)由于靜態(tài)破碎劑的作用是一個(gè)緩慢的過(guò)程，故可視為膨脹壓為一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的荷載。兩個(gè)鉆孔對(duì)巖體的加壓效果看作單孔各自作用在無(wú)限彈性體效果的疊加，則由彈性力學(xué)中拉梅解答有：

式中，σγ始終為壓應(yīng)力，MPa；σθ始終為拉應(yīng)力，MPa。則有：

σ=|σγ-σθ|

由式(3)的函數(shù)表達(dá)式知O1、O2中應(yīng)力的最小值即在邊界值與極值點(diǎn)中對(duì)比取得，即為：

σmin=min{σ，σ左，σ右}

(4)

左、右邊界點(diǎn)分別在r=r1、r=l-r2時(shí)取得，具體表達(dá)式如下：

對(duì)于式(3)中σ對(duì)r求導(dǎo)等于0時(shí)，即：σ′|r=0時(shí)為該函數(shù)的極值點(diǎn)，得出極值點(diǎn)處距離裝藥孔O1軸心r的表達(dá)式為：

由于在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中，通常采用采用同一種孔徑，孔內(nèi)采用同樣的裝藥量，也就是說(shuō)r1=r2，q1=q2，故統(tǒng)一用R表示兩孔的半徑、q表示孔內(nèi)的膨脹壓力，則根據(jù)式(4)能夠得出函數(shù)σ的最小值在極值點(diǎn)處取得，表達(dá)式為：

根據(jù)材料力學(xué)第三強(qiáng)度理論σmin>[σ]，[σ]為巖體的極限抗拉強(qiáng)度，聯(lián)立式(7)能夠得出：

裂紋的擴(kuò)展的理論半徑[13-16]如下：

式中，σc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

基于式(8)可知不同位置處單元裂紋的擴(kuò)展效果與該點(diǎn)與孔心的間距及膨脹壓力的大小有關(guān)，縮小鉆孔間的間距或增大孔徑有助于孔間的裂紋擴(kuò)展。以兩孔模型為基礎(chǔ)，當(dāng)進(jìn)行同軸、等間距、等排距布置脹裂鉆孔時(shí)，孔與孔之間的軸心面為主應(yīng)力面，在孔眼的軸心面上由于拉應(yīng)力的疊加作用使得軸心面上孔壁處的巖體最先達(dá)到抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生裂紋，在膨脹壓力的作用下孔間裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展、加深。故根據(jù)式(9)合理的設(shè)置孔間距，保證相鄰孔間裂紋能夠相互貫通，便可在解決在缺少自由面時(shí)巖體的破碎問(wèn)題。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程背景與施工方案

陽(yáng)煤三礦為高瓦斯礦井，工作面開(kāi)采15#煤層，煤層平均厚度6.46m，回采巷道直接頂為0.76m的泥巖；基本頂平均厚度7.18m，深灰色K2石灰?guī)r，極限抗拉強(qiáng)度為1.4MPa，單軸抗壓強(qiáng)度為50MPa。該工作面進(jìn)風(fēng)巷采用“全錨網(wǎng)+錨索”的支護(hù)方式，端頭巷道頂板退錨、剪網(wǎng)作業(yè)完成后，懸頂長(zhǎng)度仍達(dá)到20m以上，對(duì)工作面安全生產(chǎn)造成威脅，為解決此問(wèn)題采用靜態(tài)破碎技術(shù)對(duì)端頭巷道懸頂進(jìn)行處理。

進(jìn)風(fēng)巷高度為3m，頂煤平均厚度為3.46m，直接頂和基本頂?shù)钠骄穸确謩e為0.76m和7.18m，因此要對(duì)K2石灰?guī)r頂板進(jìn)行有效預(yù)裂，進(jìn)行脹裂時(shí)鉆孔的垂直深度需11.4m，考慮到煤層及巖層厚度的變化情況確定鉆孔的垂直深度為14m，為方便鉆孔打設(shè)和裝藥施工方便，設(shè)置鉆孔傾角為45°，傾向采空區(qū)一側(cè)，沿進(jìn)風(fēng)巷走向剖面具體鉆孔與各巖層參數(shù)如圖5所示。

圖5 鉆孔深度與各巖層位置關(guān)系示意圖

根據(jù)靜態(tài)破碎劑試驗(yàn)部分得出的結(jié)果，本次工業(yè)應(yīng)用使用水灰配比為0.33的破碎劑漿液，設(shè)置鉆孔直徑為60mm，在此條件下破碎劑能夠產(chǎn)生的最大膨脹壓力為72MPa，將上述數(shù)據(jù)帶入式(8)中得出破碎劑能產(chǎn)生的膨脹壓力滿足使裂紋產(chǎn)生并擴(kuò)展的條件，綜合考慮到施工時(shí)溫度、壓力等的影響，取膨脹壓的工業(yè)利用系數(shù)為0.65，即以實(shí)際膨脹壓為46.8MPa考慮，代入式(9)計(jì)算理論裂紋擴(kuò)展半徑為445.4mm，根據(jù)礦井的具體地質(zhì)條件，考慮到一定的富裕系數(shù)，確定鉆孔的間距與排距為800mm。

具體鉆孔施工參數(shù)如下：鉆孔孔徑為60mm，深度為20m，鉆孔與頂板成45°傾向采空區(qū)一側(cè)，鉆孔的裝藥量為80～85kg，封孔長(zhǎng)度為6m，具體施工作業(yè)時(shí)，以3.2m為一個(gè)施工循環(huán)，一循環(huán)脹裂施工完畢后進(jìn)行下一循環(huán)，第一循環(huán)的具體施工位置與鉆孔布置如圖6所示。

圖6 一循環(huán)具體施工位置與鉆孔布置

3.2 注漿施工技術(shù)

破碎劑混合液注入鉆孔時(shí)采用“三管兩進(jìn)一回”的施工原理，裝藥孔內(nèi)的布置管路示意圖如圖7(a)所示，注漿施工技術(shù)施工時(shí)主要機(jī)具及耗材見(jiàn)表2。

破碎劑裝藥作業(yè)時(shí)，作業(yè)流程如下：

1)在設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的鉆孔內(nèi)布設(shè)3根PVC管路，裝藥孔口使用水泥水玻璃對(duì)孔口進(jìn)行封閉，同時(shí)將管路進(jìn)行固定，設(shè)置封堵長(zhǎng)度0.2m。封孔作業(yè)完成30min后，凝固后水泥水玻璃強(qiáng)度達(dá)4MPa，滿足強(qiáng)度要求，如圖7(b)所示。

2)將水灰比為0.6的水泥漿液通過(guò)注漿管注入鉆孔內(nèi)，當(dāng)7m的PVC管路返漿時(shí)停止注水泥漿，注入的水泥漿放置一天凝固后成為6m，滿足封孔長(zhǎng)度要求，如圖7(c)所示。

3)注水泥漿液封孔結(jié)束并放置1d后開(kāi)始裝藥施工，通過(guò)注漿管向孔內(nèi)注入水灰比為0.33的破碎劑漿液，當(dāng)長(zhǎng)度為20m的PVC管路出現(xiàn)返漿時(shí)，停止注漿作業(yè)，如圖7(d)所示。

圖7 施工工藝流程

表2 注漿施工主要設(shè)備規(guī)格與參數(shù)

3.3 工業(yè)試驗(yàn)效果

試驗(yàn)段頂板在注漿后數(shù)小時(shí)內(nèi)頂板巖體有明顯脹裂的聲音，在工作面推進(jìn)到靜態(tài)破碎技術(shù)的區(qū)域后，繼續(xù)向前推進(jìn)3.2m后，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的頂煤開(kāi)始逐步冒落，當(dāng)工作面推進(jìn)12.8m時(shí)，即工作面推進(jìn)超過(guò)靜態(tài)破碎起始段9.6m后，試驗(yàn)區(qū)域頂板基本完全垮落。

4 結(jié) 論

1)靜態(tài)破碎劑所能產(chǎn)生的膨脹壓力隨著孔徑的增大、水灰配比的減小逐漸增大，在水灰比為0.33，孔徑為60mm時(shí)破碎劑漿體所能產(chǎn)生的最大徑向膨脹壓力為72MPa。

2)運(yùn)用彈性力學(xué)的知識(shí)分析了多孔加壓條件下巖石的破斷機(jī)理，合理的選擇破碎劑的水灰配比、鉆孔直徑能夠讓裂紋得到有效的擴(kuò)展。

3)靜態(tài)破碎劑注漿施工時(shí)采用“三管兩進(jìn)一回”的施工原理有效的解決了鉆孔的漏漿問(wèn)題，有效提高了注漿施工的效率。

4)靜力定向破巖技術(shù)能夠較好解決高瓦斯礦井的懸頂問(wèn)題，為工作面的安全高效生產(chǎn)提供保障。