厚煤层工作面窄煤柱沿空掘巷静态切顶技术研究

徐 旸

(潞安化工集团 阳泉五矿,山西 平定 045209)

近年来,井工开采煤矿通常采用窄煤柱沿空掘巷技术作为提高采出率、高效开采的重要手段,然而,煤柱宽度的减小也伴随着矿压显现加剧、采空区漏风巷道变形严重等问题,对巷道围岩和煤柱稳定性带来了一定的挑战。而切顶卸压则通过爆破等手段实现对顶板岩层的主动控制,破坏覆岩关键结构的完整性,达到降低巷道和煤柱载荷的效果。但由于高瓦斯或一些特殊地质条件的影响,爆破切顶对围岩扰动较大,火工品的使用也具有一定局限性,因此,提出采用静态破碎切顶卸压技术,通过化学反应产生体积膨胀来达到破断岩层的效果。

静态破碎切顶卸压技术是通过静态破碎剂中的固体相物质与水充分融合,在水化反应的作用下产生体积膨胀,进而利用岩石“耐压怕拉”的特性实现岩石的破碎,具有围岩无冲击、反应无噪声的优点。国内外学者也针对静态破碎剂及其作用效果进行了大量研究。张志伟等[1]通过实验分析了影响静态破碎剂膨胀压力的多种因素,认为水灰质量比影响最大,并明确了静态破碎剂多孔致裂岩石时,可通过增大孔径和减小孔间距来提高破碎效果。罗明坤等[2]利用正交实验分析了不同配比形式的静态破碎剂性能,认为氧化钙含量在70%以上致裂效果最佳,且其裂缝扩展是以岩石弱面为导向的。

综合可知,静态破碎剂在不同反应时间、水灰质量比等影响下,其膨胀效果也不同,同时,对于不同地质条件下的静态破碎切顶卸压应用需因地制宜,制定合理切顶方案。因此,本文以某矿5303工作面为背景,结合现场条件和静态破碎剂膨胀参数,通过实验和现场应用分别针对静态破碎剂破岩效果和切顶方案进行分析,为窄煤柱沿空掘巷的成功应用提供技术支撑。

1 工程背景

某矿核定产能为3×106t/a,主采煤层为5号煤层,煤层厚度8.9～10.1 m,平均厚度9.5 m,煤层倾角1°～3°,平均倾角1°,为近水平煤层,矿井内瓦斯含量极低,属低瓦斯矿井,有煤尘爆炸风险。

5303工作面位于5号煤层3盘区,为综放工作面,共布置有回采巷道3条,分别为开切眼、回风巷、运输巷。工作面东侧为5301工作面(已采完),西侧为5305工作面、北侧为运输大巷、南侧为井田边界。5303回风巷设计为宽×高=4.2 m×2.8 m的矩形断面,沿底掘进,属沿空掘巷。5303工作面采掘工程平面如图1所示。

图1 5303工作面采掘平面图

5303工作面顶板主要为砂岩,其中直接顶为2.9 m的砂质泥岩,裂隙发育,整体强度较低;基本顶为12.1 m的粗粒砂岩,以石英矿物为主,整体强度相对较高,属厚硬岩层;直接底为1.8 m的泥岩,裂隙呈垂直分布,容易在底板水的作用下发生软化。5303工作面顶底板情况如表1所示。

表1 5303工作面顶底板情况

目前5101工作面即将开采完成,为提高工作面采出率,减少煤炭资源的浪费,选择采用窄煤柱沿空掘巷技术,但由于其顶板存在12.1 m厚的砂岩层,完整性较好,属于厚硬岩层,在上区段工作面回采完成后,容易导致侧向悬臂梁长度较长,增大煤柱所受载荷,因此,选择采用静态破碎切顶卸压技术,通过采空侧切顶减小侧向悬臂梁长度,降低多次扰动对煤柱形成的应力集中现象,为窄煤柱沿空掘巷的成功应用提供有力技术支持。

2 静态破碎剂破岩机理分析

2.1 静态破碎剂膨胀原理

静态破碎剂是粉末状固体材料,通常与水充分融合形成流体,通过高压泵注输入钻孔内并密封严实形成密闭空间,在一定时间后水被破碎剂充分吸收并发生膨胀从而达到破岩的目的。静态破碎剂主要是由大量氧化钙,配合少量减水剂、水化控制剂等有机化合物组成的高效膨胀破碎剂。其中氧化钙通过水化反应产生体积膨胀,形成膨胀压力,高效减水剂在水灰比较低的情况下保证溶液的流动性,水化控制剂可增加破碎剂水化反应时间,在现场施工中保证充分搅拌和充足的泵注时间。

静态破碎剂中氧化钙发生的水化反应属于放热反应,其反应方程式如下。

CaO+H2OCa(OH)2+64.9 KJ·mol-1

氧化钙发生水化反应生成的产物为氢氧化钙,其分子体积是氧化钙分子的2倍,相对分子质量是氧化钙分子的1.36倍,密度是氧化钙分子的0.67倍,综合反应至其宏观体积是氧化钙的两倍,因此,若将其溶液输入至理想密闭空间内并产生水化反应,其体积膨胀所施加的压力可达到100 MPa以上。水化膨胀压力作用示意如图2所示。

图2 水化膨胀压力作用示意

静态破碎剂的宏观破坏过程大致分为3个阶段。

1) 初裂阶段:即由于初期孔内氧化钙水化反应较慢,其作用在孔内的膨胀压较小,产生的拉应力仅能形成一些微小裂隙,且范围较小。

2) 发展阶段:此时微小裂隙内也充满破碎剂溶液并同样在发生膨胀,其微小裂隙扩展形成裂纹。

3) 破碎阶段:随着裂纹张度、密度和数量的增加,裂纹与裂纹之间相互贯通,从而形成破坏。

2.2 多孔破碎扩展机理

在静态破碎技术的应用中,通常是由多个破碎孔组合破碎形成断裂面,达到破碎岩体的效果。其多孔破碎扩展机理示意如图3所示。

图3 多孔破碎扩展示意

根据图3可知,当岩体处于多孔破碎条件下时,其孔与孔之间的岩体受力情况根据孔间距的不同可分为单影响和双影响区域两种,其中双影响区域位于两孔破碎影响重合区域,同样也是破坏最大区域,可视为单孔膨胀力叠加作用形成的。在两孔之间的连线上的任一单元体所受最大和最小应力分别记为σmax和σmin.岩体为脆性材料,其抗拉强度通常为抗压强度的1/7,远低于抗压强度。当岩体内某一点由膨胀压产生的σmax首先大于其岩体抗拉强度时,岩体内部出现微小裂纹,而当σmin超过其抗拉强度时,岩体则发生完全破坏,在双影响区域内,由于其破碎区的重叠,取该区域内一单元体分析可知,均受到两个孔同时膨胀作用下的叠加力,此时该单元体所受最小应力也可达到岩体破坏强度,因此,该区域岩体首先会产生拉伸破坏。

3 静态破碎膨胀及力学性能分析

3.1 静态破碎剂体积膨胀效果分析

为针对分析不同水灰质量比对静态破碎剂体积膨胀效果的影响,选择广西飞鹰牌静态破碎剂,并采用0.4、0.5、0.6三种水灰质量比,50 mL和100 mL两种静态破碎剂体积进行正交实验,每组实验测试3次。

实验室环境温度25 ℃,水温23 ℃,实验用水为普通清洁水,体积测量使用开放式烧杯,膨胀前体积为溶液体积,膨胀后体积测量时充分搅拌固化粉末至表面呈平整状态。其50 mL和100 mL静态破碎剂粉末的实验结果分别如图4、图5所示。

图4 50 mL破碎剂不同水灰质量比的体积膨胀效果

图5 100 mL破碎剂不同水灰质量比的体积膨胀效果

由图4、图5分析可知,不同水灰质量比下的静态破碎剂膨胀体积随着水灰质量比的增大呈减小状态。其中当静态破碎剂为50 mL时,水灰质量比0.4膨胀效果最好,其膨胀前体积为70 mL,膨胀后为249 mL,体积膨胀率为356%,水灰质量比0.6膨胀效果最差,体积膨胀率为308%.当静态破碎剂为100 mL时,水灰质量比0.4膨胀效果仍最好,体积膨胀率为360%,水灰质量比0.6膨胀效果最差,体积膨胀率为310%.在同样水灰质量比,不同静态破碎剂体积下其膨胀率基本一致,由此表明,水灰质量比越小,膨胀效果越好,且无尺度效应的影响。

3.2 静态破碎剂膨胀压测试

静态破碎剂膨胀压力的测量需保证其水化反应区域为一密闭空间,且该空间在反应时间内需保持完好状态[3],因此,选择一端密封,一端配有专用封孔器的无缝钢管(钢管力学性质见表2)模拟钻孔密闭空间。采用静态电阻应变仪测量钢管表面的微小应变,从而通过应变和钢管材料性质即可定量表征膨胀压力。应变片测试区域分为钢管中部和底部两个区域。其膨胀压计算公式如下:

表2 无缝钢管力学性质参数

p=ES(K2-1)[εθ/2-v]

(1)

式中:p为膨胀压力,MPa;E为钢管弹性模量,MPa;ε为钢管应变;v为钢管泊松比;K为钢管外径与内径的比值。

根据前文分析得出水灰质量比为0.4时膨胀效率最佳,因此,选择在水灰质量比0.4的进行膨胀压力测试,钢管应变数据反算后随时间变化的膨胀压力如图6所示。

图6 膨胀压力随时间变化规律

由图6分析可知,膨胀压力随着水化反应时间的增加呈对数规律增加,整体呈急-缓的变化趋势,其中膨胀压力在0～6 h时为快速反应阶段,6～12 h为完全反应阶段。膨胀压力在第6 h基本达到峰值,其中底部区域较中部区域峰值压力较大,分别为62.2 MPa和51.9 MPa,该现象表明底部破碎剂由于沉淀现象,水灰质量比增大,反应速度加快且膨胀压力也有所增加。在第6～12 h之间,由于水分子被氧化钙分子充分吸收,水化反应已基本完成,其膨胀压力处于稳定阶段。

综合分析可知,膨胀压力主要是通过拉应力来破坏岩体,而静态破碎剂所产生的膨胀压力最高可达62.2 MPa,若考虑密封性等现场因素,取富裕系数0.5,膨胀压力仍可达31.1 MPa,远高于工作面岩层抗拉强度,由此表明该静态破碎剂可以达到预计破碎效果。

4 静态破碎切顶卸压方案

1) 顶板处理高度。根据关键层理论,覆岩中的基本顶破断及其运移对于巷道和煤柱稳定性有着重要影响[4]。根据5303工作面地质条件可知,基本顶为12.1 m的粗粒砂岩,若处理高度可破坏该岩层,使得该岩层在人为控制下沿煤柱采空侧发生相对位移,不仅破坏了覆岩中厚硬岩层的完整性,还减小了悬臂梁结构带来的侧向支撑压力对煤柱的影响,因此,确定切顶高度为21.6 m.

2) 钻孔间距及布置方式。切顶钻孔的合理间距确定及其布置方式可以在提高卸压效果的同时,适当减少工程量。根据前文分析可知,在多孔破碎条件下,其双影响区域破碎程度较高,但对于切顶工程来说,厚硬岩层的破断是通过孔与孔之间的裂隙联通[5],形成断裂面后在矿山压力的作用下发生破坏,因此,可将钻孔间距适当放大,根据实验结果初步确定为1 m,同时选择隔孔装药的方式,空孔可为裂隙扩展提供自由面和定向的作用。

3) 钻孔角度。根据岩层自然垮落角,即岩层在断裂后,两侧岩块发生相对滑移的最佳角度为75°,因此,可初步确定切顶角度为75°.

4) 装药量。为防止基本顶的突然垮落对煤柱形成冲击破坏,可保留直接顶岩层的完整性作为冲击缓冲层,即垂直高度9.5 m,钻孔深度9.8 m处放置封孔器,9.8～22.4 m为装药高度。

静态破碎切顶卸压钻孔布置方案如图7所示。

图7 切顶钻孔布置示意

5 现场应用效果分析

为分析静态破碎切顶卸压技术及其方案在窄煤柱沿空掘巷上的应用效果,在5301回风巷内布置一组测站,测站包括表面位移监测和煤柱应力监测,其中表面位移采用红外测距仪测量,煤柱应力采用锚杆测力计测量。收集5303工作面回采期间回风巷表面位移量和煤柱应力并绘制曲线如图8、图9所示。

图8 回风巷表面位移曲线

图9 锚杆受力曲线

由图8分析可知,回风巷围岩变形量随着工作面与测点距离的减小而增加,并且整体呈先缓慢增加后急速增加的变化趋势。其中拐点为工作面与测点距离30 m左右,此时围岩变形量曲线斜率大幅增加,这表明5303工作面回采时,其超前支撑压力影响范围为30 m.巷道顶底板最大变形量为155 mm,两帮最大变形量为85 mm,这表明由于巷道跨度较大,顶板较两帮变形量要大。但整体来看,回风巷围岩峰值变形量仍处于较低水平,这表明煤柱稳定性较好,可对覆岩形成一定支撑作用,进而巷道围岩稳定性也有所改善。

由图9分析可知,锚杆所受载荷随着工作面与测点距离的增大而增大,其中以工作面距离测点30 m时为拐点。当工作面距离测点30～90 m时,锚杆受力在60～71 kN,此时由于距离工作面较远,该处煤柱未受到工作面采动影响。当工作面回采至距离测点30 m范围内时,锚杆受力骤增,由71 kN增加至119 kN,增幅达1.6 kN/m.5303工作面采用直径为20 mm的BHRB335螺纹钢锚杆,其破断载荷为154 kN,根据锚杆测力计可知,虽帮锚杆受力较大,但其峰值受力仍低于锚杆破断载荷,仅为破断载荷的76%.综合可知,锚杆受力处于正常范围内,煤柱处于稳定状态。

6 结 语

1) 分析并得出了静态破碎剂的破岩机理是通过水化反应在密闭孔内产生体积膨胀从而形成径向膨胀力,并且在多孔破碎条件下,其双影响区域内岩体破坏效率最高。

2) 根据静态破碎剂体积膨胀实验和膨胀压力实验得出,水灰质量比越大其体积膨胀效率越低,且当水灰质量比一定时,孔底部的膨胀压力要大于孔中部,其最大膨胀压力分别可达到62.2 MPa和51.9 MPa,远高于5303工作面各岩层的抗拉强度。

3) 根据工程经验和理论分析确定了切顶卸压方案为:切顶高度21.6 m,钻孔间距1 m,钻孔深度22.4 m,仰角75°朝向煤柱侧,钻孔装药段为9.8～22.4 m,隔孔装药。

4) 根据现场应用效果可知,5303工作面采动影响范围为30 m左右,且在工作面回采期间,巷道顶底板最大变形量为155 mm,两帮最大变形量为85 mm,巷道围岩变形量较小,锚杆最大受力为119 kN,低于锚杆破断载荷,巷道围岩及煤柱均处于稳定状态。