厚煤層工作面窄煤柱沿空掘巷靜態切頂技術研究

徐 旸

(潞安化工集團 陽泉五礦,山西 平定 045209)

近年來,井工開采煤礦通常采用窄煤柱沿空掘巷技術作為提高采出率、高效開采的重要手段,然而,煤柱寬度的減小也伴隨著礦壓顯現加劇、采空區漏風巷道變形嚴重等問題,對巷道圍巖和煤柱穩定性帶來了一定的挑戰。而切頂卸壓則通過爆破等手段實現對頂板巖層的主動控制,破壞覆巖關鍵結構的完整性,達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條件的影響,爆破切頂對圍巖擾動較大,火工品的使用也具有一定局限性,因此,提出采用靜態破碎切頂卸壓技術,通過化學反應產生體積膨脹來達到破斷巖層的效果。

靜態破碎切頂卸壓技術是通過靜態破碎劑中的固體相物質與水充分融合,在水化反應的作用下產生體積膨脹,進而利用巖石“耐壓怕拉”的特性實現巖石的破碎,具有圍巖無沖擊、反應無噪聲的優點。國內外學者也針對靜態破碎劑及其作用效果進行了大量研究。張志偉等[1]通過實驗分析了影響靜態破碎劑膨脹壓力的多種因素,認為水灰質量比影響最大,并明確了靜態破碎劑多孔致裂巖石時,可通過增大孔徑和減小孔間距來提高破碎效果。羅明坤等[2]利用正交實驗分析了不同配比形式的靜態破碎劑性能,認為氧化鈣含量在70%以上致裂效果最佳,且其裂縫擴展是以巖石弱面為導向的。

綜合可知,靜態破碎劑在不同反應時間、水灰質量比等影響下,其膨脹效果也不同,同時,對于不同地質條件下的靜態破碎切頂卸壓應用需因地制宜,制定合理切頂方案。因此,本文以某礦5303工作面為背景,結合現場條件和靜態破碎劑膨脹參數,通過實驗和現場應用分別針對靜態破碎劑破巖效果和切頂方案進行分析,為窄煤柱沿空掘巷的成功應用提供技術支撐。

1 工程背景

某礦核定產能為3×106t/a,主采煤層為5號煤層,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,礦井內瓦斯含量極低,屬低瓦斯礦井,有煤塵爆炸風險。

5303工作面位于5號煤層3盤區,為綜放工作面,共布置有回采巷道3條,分別為開切眼、回風巷、運輸巷。工作面東側為5301工作面(已采完),西側為5305工作面、北側為運輸大巷、南側為井田邊界。5303回風巷設計為寬×高=4.2 m×2.8 m的矩形斷面,沿底掘進,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的砂質泥巖,裂隙發育,整體強度較低;基本頂為12.1 m的粗粒砂巖,以石英礦物為主,整體強度相對較高,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生軟化。5303工作面頂底板情況如表1所示。

表1 5303工作面頂底板情況

目前5101工作面即將開采完成,為提高工作面采出率,減少煤炭資源的浪費,選擇采用窄煤柱沿空掘巷技術,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,在上區段工作面回采完成后,容易導致側向懸臂梁長度較長,增大煤柱所受載荷,因此,選擇采用靜態破碎切頂卸壓技術,通過采空側切頂減小側向懸臂梁長度,降低多次擾動對煤柱形成的應力集中現象,為窄煤柱沿空掘巷的成功應用提供有力技術支持。

2 靜態破碎劑破巖機理分析

2.1 靜態破碎劑膨脹原理

靜態破碎劑是粉末狀固體材料,通常與水充分融合形成流體,通過高壓泵注輸入鉆孔內并密封嚴實形成密閉空間,在一定時間后水被破碎劑充分吸收并發生膨脹從而達到破巖的目的。靜態破碎劑主要是由大量氧化鈣,配合少量減水劑、水化控制劑等有機化合物組成的高效膨脹破碎劑。其中氧化鈣通過水化反應產生體積膨脹,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性,水化控制劑可增加破碎劑水化反應時間,在現場施工中保證充分攪拌和充足的泵注時間。

靜態破碎劑中氧化鈣發生的水化反應屬于放熱反應,其反應方程式如下。

CaO+H2OCa(OH)2+64.9 KJ·mol-1

氧化鈣發生水化反應生成的產物為氫氧化鈣,其分子體積是氧化鈣分子的2倍,相對分子質量是氧化鈣分子的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并產生水化反應,其體積膨脹所施加的壓力可達到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

靜態破碎劑的宏觀破壞過程大致分為3個階段。

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

2) 發展階段:此時微小裂隙內也充滿破碎劑溶液并同樣在發生膨脹,其微小裂隙擴展形成裂紋。

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

2.2 多孔破碎擴展機理

在靜態破碎技術的應用中,通常是由多個破碎孔組合破碎形成斷裂面,達到破碎巖體的效果。其多孔破碎擴展機理示意如圖3所示。

圖3 多孔破碎擴展示意

根據圖3可知,當巖體處于多孔破碎條件下時,其孔與孔之間的巖體受力情況根據孔間距的不同可分為單影響和雙影響區域兩種,其中雙影響區域位于兩孔破碎影響重合區域,同樣也是破壞最大區域,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力分別記為σmax和σmin.巖體為脆性材料,其抗拉強度通常為抗壓強度的1/7,遠低于抗壓強度。當巖體內某一點由膨脹壓產生的σmax首先大于其巖體抗拉強度時,巖體內部出現微小裂紋,而當σmin超過其抗拉強度時,巖體則發生完全破壞,在雙影響區域內,由于其破碎區的重疊,取該區域內一單元體分析可知,均受到兩個孔同時膨脹作用下的疊加力,此時該單元體所受最小應力也可達到巖體破壞強度,因此,該區域巖體首先會產生拉伸破壞。

3 靜態破碎膨脹及力學性能分析

3.1 靜態破碎劑體積膨脹效果分析

為針對分析不同水灰質量比對靜態破碎劑體積膨脹效果的影響,選擇廣西飛鷹牌靜態破碎劑,并采用0.4、0.5、0.6三種水灰質量比,50 mL和100 mL兩種靜態破碎劑體積進行正交實驗,每組實驗測試3次。

實驗室環境溫度25 ℃,水溫23 ℃,實驗用水為普通清潔水,體積測量使用開放式燒杯,膨脹前體積為溶液體積,膨脹后體積測量時充分攪拌固化粉末至表面呈平整狀態。其50 mL和100 mL靜態破碎劑粉末的實驗結果分別如圖4、圖5所示。

圖4 50 mL破碎劑不同水灰質量比的體積膨脹效果

圖5 100 mL破碎劑不同水灰質量比的體積膨脹效果

由圖4、圖5分析可知,不同水灰質量比下的靜態破碎劑膨脹體積隨著水灰質量比的增大呈減小狀態。其中當靜態破碎劑為50 mL時,水灰質量比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%,水灰質量比0.6膨脹效果最差,體積膨脹率為308%.當靜態破碎劑為100 mL時,水灰質量比0.4膨脹效果仍最好,體積膨脹率為360%,水灰質量比0.6膨脹效果最差,體積膨脹率為310%.在同樣水灰質量比,不同靜態破碎劑體積下其膨脹率基本一致,由此表明,水灰質量比越小,膨脹效果越好,且無尺度效應的影響。

3.2 靜態破碎劑膨脹壓測試

靜態破碎劑膨脹壓力的測量需保證其水化反應區域為一密閉空間,且該空間在反應時間內需保持完好狀態[3],因此,選擇一端密封,一端配有專用封孔器的無縫鋼管(鋼管力學性質見表2)模擬鉆孔密閉空間。采用靜態電阻應變儀測量鋼管表面的微小應變,從而通過應變和鋼管材料性質即可定量表征膨脹壓力。應變片測試區域分為鋼管中部和底部兩個區域。其膨脹壓計算公式如下:

表2 無縫鋼管力學性質參數

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為鋼管應變;v為鋼管泊松比;K為鋼管外徑與內徑的比值。

根據前文分析得出水灰質量比為0.4時膨脹效率最佳,因此,選擇在水灰質量比0.4的進行膨脹壓力測試,鋼管應變數據反算后隨時間變化的膨脹壓力如圖6所示。

圖6 膨脹壓力隨時間變化規律

由圖6分析可知,膨脹壓力隨著水化反應時間的增加呈對數規律增加,整體呈急-緩的變化趨勢,其中膨脹壓力在0～6 h時為快速反應階段,6～12 h為完全反應階段。膨脹壓力在第6 h基本達到峰值,其中底部區域較中部區域峰值壓力較大,分別為62.2 MPa和51.9 MPa,該現象表明底部破碎劑由于沉淀現象,水灰質量比增大,反應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,水化反應已基本完成,其膨脹壓力處于穩定階段。

綜合分析可知,膨脹壓力主要是通過拉應力來破壞巖體,而靜態破碎劑所產生的膨脹壓力最高可達62.2 MPa,若考慮密封性等現場因素,取富裕系數0.5,膨脹壓力仍可達31.1 MPa,遠高于工作面巖層抗拉強度,由此表明該靜態破碎劑可以達到預計破碎效果。

4 靜態破碎切頂卸壓方案

1) 頂板處理高度。根據關鍵層理論,覆巖中的基本頂破斷及其運移對于巷道和煤柱穩定性有著重要影響[4]。根據5303工作面地質條件可知,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發生相對位移,不僅破壞了覆巖中厚硬巖層的完整性,還減小了懸臂梁結構帶來的側向支撐壓力對煤柱的影響,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,適當減少工程量。根據前文分析可知,在多孔破碎條件下,其雙影響區域破碎程度較高,但對于切頂工程來說,厚硬巖層的破斷是通過孔與孔之間的裂隙聯通[5],形成斷裂面后在礦山壓力的作用下發生破壞,因此,可將鉆孔間距適當放大,根據實驗結果初步確定為1 m,同時選擇隔孔裝藥的方式,空孔可為裂隙擴展提供自由面和定向的作用。

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

4) 裝藥量。為防止基本頂的突然垮落對煤柱形成沖擊破壞,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 現場應用效果分析

為分析靜態破碎切頂卸壓技術及其方案在窄煤柱沿空掘巷上的應用效果,在5301回風巷內布置一組測站,測站包括表面位移監測和煤柱應力監測,其中表面位移采用紅外測距儀測量,煤柱應力采用錨桿測力計測量。收集5303工作面回采期間回風巷表面位移量和煤柱應力并繪制曲線如圖8、圖9所示。

圖8 回風巷表面位移曲線

圖9 錨桿受力曲線

由圖8分析可知,回風巷圍巖變形量隨著工作面與測點距離的減小而增加,并且整體呈先緩慢增加后急速增加的變化趨勢。其中拐點為工作面與測點距離30 m左右,此時圍巖變形量曲線斜率大幅增加,這表明5303工作面回采時,其超前支撐壓力影響范圍為30 m.巷道頂底板最大變形量為155 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。但整體來看,回風巷圍巖峰值變形量仍處于較低水平,這表明煤柱穩定性較好,可對覆巖形成一定支撐作用,進而巷道圍巖穩定性也有所改善。

由圖9分析可知,錨桿所受載荷隨著工作面與測點距離的增大而增大,其中以工作面距離測點30 m時為拐點。當工作面距離測點30～90 m時,錨桿受力在60～71 kN,此時由于距離工作面較遠,該處煤柱未受到工作面采動影響。當工作面回采至距離測點30 m范圍內時,錨桿受力驟增,由71 kN增加至119 kN,增幅達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,根據錨桿測力計可知,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,煤柱處于穩定狀態。

6 結 語

1) 分析并得出了靜態破碎劑的破巖機理是通過水化反應在密閉孔內產生體積膨脹從而形成徑向膨脹力,并且在多孔破碎條件下,其雙影響區域內巖體破壞效率最高。

2) 根據靜態破碎劑體積膨脹實驗和膨脹壓力實驗得出,水灰質量比越大其體積膨脹效率越低,且當水灰質量比一定時,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到62.2 MPa和51.9 MPa,遠高于5303工作面各巖層的抗拉強度。

3) 根據工程經驗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,鉆孔裝藥段為9.8～22.4 m,隔孔裝藥。

4) 根據現場應用效果可知,5303工作面采動影響范圍為30 m左右,且在工作面回采期間,巷道頂底板最大變形量為155 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定狀態。