静态破碎技术在综采过断层中的应用

桂良玉

（北京中煤矿山工程有限公司，北京100013）

随着煤矿开采深度的不断增加，开采环境发生了巨大的变化，煤层的赋存条件也变得越来越复杂。目前，煤矿多采用综合机械化采煤，当煤层中遇到断层并出现短距离岩层时，综采设备无法进行作业，需用其它方法穿过岩层。常规处理方法是先将综采设备部分拆除或者安全防护，然后进行钻眼爆破穿过岩层，再将设备重新安装好。这种方法的缺点：①交替作业时间长；②由于爆破时飞石难以控制，砸坏设备的情况时有发生；③爆破作业易引起瓦斯、煤尘爆炸等事故。

静态破碎技术，是利用静态破碎剂 （SCA）水化膨胀后，对孔壁施加径向压力破碎岩石，当径向压力在孔壁切向上引起的拉应力大于岩石的抗拉强度时，岩石就被破碎。因此，可以在无震动、无冲击波、无飞石等条件下破碎岩石，具有非常高的安全性。静态破碎技术在20世纪80年代出现在矿山工程领域。近年来，静态破碎技术虽然在煤矿设备基础拆除中应用，但是在综采过断层中尚无应用先例。

本文突破静态破碎剂常规的适用范围和应用模式，将静态破碎技术引用到综采工作面破碎断层岩石，从而拓展了静态破碎技术的应用领域和使用范围。

1 静态破碎法技术设计

静态破碎法技术设计，包括钻孔的布置和药剂的选择。

1.1 钻孔布置

钻孔布置方式分两种：分次掏槽法和一次掏槽法。其中，分次掏槽法又分为直眼掏槽法和半楔形掏槽法。

1.1.1 分次破碎法之直眼掏槽

在巷道中下部合适位置，预先钻一个孔径大于60 mm的空孔作为自由面；沿该孔四周布置一到两圈掏槽孔，孔距为200～250 mm，距空孔边沿距离为250 mm；灌注静态破碎剂，进行破碎后，用小风镐将其剔除，形成更大的空间，并按照孔排距300 mm布置崩落孔和周边孔，再灌注静态破碎剂进行破碎。孔眼布置如图1所示。

图1 直眼掏槽法钻眼布置

该方法分为两个步骤，虽然分步操作略微费时，但是这种方法通过第一步小范围的破碎为第二步全面破碎工作提供了很好的临空面，使得破碎工作能够顺利的进行。

1.1.2 分次破碎法之半楔形掏槽

钻孔孔径统一为42 mm，在巷道中下部合适位置钻一排水平孔，孔距为250 mm；在水平孔的上部300～400 mm处钻一排倾斜孔，孔深为1200 mm，使孔底距水平孔小于200 mm；灌注静态破碎剂进行破碎，然后用小风镐将其剔除，形成更大的空间，并按照孔排距250～350 mm布置其它崩落孔，再灌注静态破碎剂进行破碎。钻眼布置如图2所示。

图2 半楔型掏槽法钻眼布置

这种方法与直眼掏槽法略有不同，差别在于前者利用空孔补偿临空面的不足，而后者是靠布设楔形孔利用两排破碎剂的合力来破碎岩石，并将破碎了的岩石推出。楔形掏槽临空面不足，容易造成药剂的冲孔。

1.1.3 一次掏槽法

全断面破碎法，是在断层全断面钻出空孔和破碎孔，利用空孔的空间进行一次破碎。要求空孔间距为600～800 mm，每个空孔间钻一至两个装药孔，装药孔距空孔的距离小于250 mm。图3为钻眼布置示意图。

图3 全断面破碎法钻眼布置

这种方法为一次破碎，省去了分步施工中间的等待时间。静态破碎剂对临空面要求较高，在临空面缺失或没有较好临空面时，静态破碎剂基本不能发挥破岩作用。

为了保证其能顺利破碎岩石，需要钻凿较多的空孔充当临空面，这就浪费了人力、物力，没有直眼掏槽法经济。

通过上述几种方法比较，直眼掏槽法掏槽方法简单，不用钻凿倾斜孔眼，需用空孔数量较少，整体技术经济效益较好，为优选技术方案。

1.2 药剂选择及钻孔布置

1.2.1 药剂选择

由于断层岩石强度较高，需要选用膨胀力较大的静态破碎剂。经市场调研及产品性能分析比较，确定使用 “超力牌”静态破碎剂。该品牌破碎剂最大膨胀力达到122 MPa；反应时间可在10 min～1h之间调节。

1.2.2 钻孔直径与钻孔布置

钻孔直径与破碎效果有直接关系，钻孔直径过小，不利于静态破碎剂充分发挥效力；钻孔直径太大，易冲孔。通常选用钻头直径为38～42 mm。钻孔孔距与排距布置见表1。

第一次破碎时，空孔直径80 mm，孔深1500 mm；装药孔直径42 mm，孔深1200 mm；装药孔孔距小于200 mm，装药孔与空孔孔距小于250 mm。

第二次破碎时，装药孔孔距小于250 mm，排距小于300 mm。

表1 孔距与排距布置

2 静态破碎法的施工

2.1 施工工序

第一步：钻凿中心大直径深空孔及其周边装药孔。在本次破碎作业中，空孔提供了破碎断层岩石所需的临空面，深度比装药孔深度大，直径越大越有利于岩石破碎。

第二步：灌注充填破碎剂进行破碎。使用破碎剂破碎岩石后，再用小风镐将其剔除，形成更大的空间。

第三步：钻凿出崩落孔，灌注充填破碎剂进行破碎，然后再用割煤机破碎并将岩块输送出去。

2.2 技术措施

2.2.1 钻孔技术措施

（1）按照设计要求，控制钻孔孔口位置偏差不超过±50 mm，孔底位置偏差不超过最小孔距200 mm。

（2）使用锚杆钻机或凿岩机钻孔，孔道略下斜，孔底在孔口以下，用清水钻进，大水量、慢速、减压开孔，以保证钻孔质量。

（3）换接钻杆时，检查钻杆是否弯曲，有无损伤，中心水孔是否畅通。

（4）钻凿完毕后，将钻孔内的余水和余渣用高压风吹洗干净，并将孔口清理干净至无土石渣。

2.2.2 装药技术措施

（1）开始施工前，要在现场做药剂反应试验，根据药剂在现场反应的时间，恰当修改施工参数，保证施工安全。

（2）在药剂中加入30% （重量比）左右的水拌成糊状后，迅速倒入孔内并用桶杆捅实，再用黄泥搓成条塞入孔口并捣实，务必保证药剂在孔内处于密实状态。如果用药卷进行装填，则应做到：药卷集中浸泡，充分浸透，逐条装入，分别捣实。

（3）工人在循环操作过程中，每次装药的孔数适当，每次拌药量不超过所需药量。

（4）从往药剂中加入拌合水到灌装结束，所需时间严格控制在5 min以内。

（5）操作时，用两种方法控制药剂反应时间：一是在拌合水中加入适量抑制剂；二是控制拌和水和药剂温度在15℃左右。

（6）工作人员要带上防冲孔眼镜，在规定时间内充填完毕，并立即撤走，以防冲孔伤到工作人员。

3 应用效果

翟镇煤矿是山东新汶矿业集团公司所辖的一座国有煤矿，位于山东省新泰市西北10k m。翟镇井田四周断层环绕，井田内共发现大中型断层17条，断层与褶曲并存。断层岩石为砂岩，性脆，岩石硬度系数E值为4～6。

翟镇煤矿3205E工作面共有15道断层，断层平行于工作面，厚3～5 m，断层位置如图4所示。

图4 工作面断层位置

翟镇煤矿综采工作面设备租赁、供电、通风等费用每小时约1万元。按照传统方法用炸药爆破3205E工作面断层岩石，需要移走部分设备，对不方便移走的设备加设防护装置。该工作面共有15个断层，与爆破方法相比，使用静态破碎法破碎，一个断层能节省1d时间和2万元防护费，成本按每天20万元算，整个工作面累计减少费用约330万元。矿区有4个相似工作面，使用静态破碎技术，可为该矿累计节省1320万元。

4 结语

静态破碎技术应用于综采工作面过断层岩石，通过翟镇煤矿井下工作面首次应用证明，对于解决综采过断层岩石问题是行之有效的。该项技术不仅安全可靠，而且有较好的经济技术效益，值得在煤矿推广应用。