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(qū)，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(tài)煤巖脹裂劑”作為膨脹材料進行順槽后方端頭頂板的靜態(tài)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(tài)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(tài)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(fā)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(fā)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(tài)煤巖脹裂劑的線膨脹系數取1×10-4。通過對靜態(tài)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(tài)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(fā)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(fā)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(tài)煤巖脹裂劑開始發(fā)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(tài)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(tài)脹裂劑繼續(xù)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(tài)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(qū)域產生y方向裂縫，致裂效果良好。圖3-（f）靜態(tài)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(tài)煤巖脹裂劑作用下煤體的開裂冒落過程

綜上：靜態(tài)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(tài)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(tài)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(jié)理、裂隙發(fā)育、構造的發(fā)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(yè)時發(fā)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(tài)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(yè)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(yè)前，必須進行“敲幫問頂”，避免在鉆孔時發(fā)生圍巖剝落的現象，對設備和人員造成不必要的傷害；作業(yè)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(tài)脹裂劑致裂頂板的區(qū)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(yè)條件進行調整，要保證施工人員有足夠的作業(yè)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(yè)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(tài)脹裂劑致裂頂板的區(qū)域內進行頂板錨索的退錨作業(yè)；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(tài)脹裂劑漿液的配制：啊靜態(tài)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(yè)，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(yè)：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(tài)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(huán)的注漿作業(yè)。

3.3 頂板破碎效果

在頂板靜態(tài)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(tài)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(yè)性試驗結束后第二天，發(fā)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(qū)側巷道后方端頭的懸頂距離明顯減小，靜態(tài)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(fā)現靜態(tài)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(fā)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(tài)脹裂劑在模擬中破碎效果良好。

2）通過現場實測發(fā)現在采取了工作面頂板靜態(tài)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(qū)側巷道后方端頭的懸頂距離明顯減小，靜態(tài)脹裂劑的使用取得了不錯的效果。