16502工作面静态破碎技术处理采空区悬顶实践

李海洋

（山西西山白家庄矿业有限责任公司，山西 太原 030053）

1 工程概况

山西西山晋兴有限责任公司斜沟煤矿16502工作面位于6#煤层15采区，主采6#煤层，煤层均厚为1.73m，平均倾角为10.3°。直接顶为均厚3.71m的泥岩，基本顶为均厚15.05m的中粗砂岩，煤层底板为泥岩和中粗粒砂岩，如表1所示。16502工作面可采走向长度为2638.2m，倾斜长度为175.4m，采用综采采煤工艺。

16502工作面两回采巷道顶板基本顶为中粗粒砂岩，顶板较为坚硬，在工作面回采过程中两端头采空区经常出现悬顶面积大。随着回采作业的进行，工作面端头区域退锚作业完成以后，悬顶长度仍达到20m以上，威胁到回采工作面的安全。为加强16502工作面两巷采空区悬顶的管理，确保工作面两巷采空区顶板及时垮落，保证人员的作业安全，拟采用静态破碎技术处理巷道端头悬顶过长的问题。

表1 煤层顶底板情况表

2 静态破碎技术原理

静态破碎剂的主要材料为氧化钙，在静态破碎剂与水接触后，氧化钙会生成氢氧化钙，并在化学转化过程中出现放热与体积膨胀的现象[1-2]。静态破碎技术利用静态破碎剂与水拌和后的水化反应，利用其反应产物体积膨胀的特性使物体致裂，其具有膨胀性能高、无噪音、无污染等优点。静态破碎剂利用药剂在水化作用时自身体积膨胀所产生的压力将岩石破坏，将岩体中钻孔受到静态破碎剂的挤压作用简化为弹性力学的圆孔问题，根据静态破碎剂膨胀作用时钻孔内部膨胀力能够简化为均布载荷，可将破碎剂的膨胀力学模型简化为如图1所示。

图1 静态破碎剂钻孔膨胀力学分析模型

静态破碎剂与水产生反应后，膨胀剂的膨胀力与时间呈现出增函数的函数关系，同理可知，钻孔壁面的岩体受到的膨胀力同样与反应时间呈现增函数的关系。具体静态破碎剂钻孔的各项受力表达式为：

式中：

σρ-始终为压应力；

σθ-始终为拉应力；

q（t）-孔内膨胀压随时间的函数；

r-钻孔的半径；

ρ-钻孔孔壁上任一点与孔心的距离。

随着静态破碎剂反应的进行，破碎剂的体积膨胀会逐渐增大，破碎剂体积的膨胀会伴随着膨胀压力的增大，进而在钻孔周边形成的切向应力σθ逐渐增大，破碎剂钻孔孔壁在膨胀压力作用下会使得原有裂隙发育扩展。基于此，为有效分析裂隙扩展的长度及裂隙扩展所需的条件，建立断裂力学裂纹扩展的分析模型。当钻孔周边裂纹出现初期，此时裂纹的半径很小，可将其作为钻孔孔壁的一部分，假设被破碎的岩体为无限大的板模型，则静态破碎剂裂纹扩展的力学模型如图2所示。

图2 静态破碎剂钻孔裂纹扩展示意图

其应力强度因子为：

式中：

KI*-裂纹尖端应力强度因子，N/mm3/2；

a-产生裂纹长度，mm；

d-钻孔直径，mm。

为简化力学分析模型，随着膨胀剂反应的进行，可进一步简化裂纹的扩展模型，裂纹的扩展为中部膨胀压力P的作用，简化后的应力强度因子计算如下：

式中各项符号的含义同上，分析式（3）可知，当作用力P不变时，裂纹扩展长度与应力强度因子呈现反比例关系。当应力强度因子KI*大于等于欲破碎岩石的断裂韧度时，裂纹长度会产生扩展，应力强度因子KI*会由于裂纹的扩展而消耗降低，进而达不到裂纹扩展的应力条件时钻孔周围的裂纹扩展将会停止。随着破碎剂水化反应的进行，静态碎裂剂在水化作用之下，出现裂纹扩展—止裂的周期性变化，直至静态碎裂剂体积膨胀达到极限为止。根据裂纹扩展的最小止裂方程为的测定方式可通过测试岩石的单轴抗压强度σc获得，公式如下：

式中：

KIC-岩石断裂韧度。

其余符号的含义同上。联立式（3）和（4）及裂纹扩展最小的止裂方程能够得出静态破碎剂钻孔周围裂隙区的半径表达式如下：

式中各项符号的含义同上，通过具体分析式（5）确定顶板静态破碎剂合理的钻孔间距为2a。

3 方案设计与效果分析

根据16502工作面的具体地质条件，6#煤层基本顶为中粗砂岩，均厚15.05m，单轴抗压强度52.4MPa。根据相关静态破碎剂的试验和工程实践表明[1-2]，静态破碎剂在水灰比为0.33时，膨胀压力能够达到100MPa，综合考虑工程应用各项因素的影响，确定工业试验时利用系数为0.65[3-4]，去破碎剂在0.33水灰比下的工业应用的膨胀压力为65MPa，代入上式（5）中，能够计算出钻孔裂隙区半径：

根据16502工作面的现场条件，为保证顶板的破碎效果，确定静态破碎剂的水灰比为0.33m，钻孔孔径为60mm，钻孔间距取0.8m，结合3#煤层顶板岩层特征，基本顶中粗砂岩厚度为15.05m，直接顶泥岩均厚为3.71m，考虑到直接顶和基本顶岩层厚度存在一定程度的变化，确定钻孔的长度为20m。

在16502工作面回采巷道两端头最后两个端头支架顶梁前端的顶板上打设静态破碎剂钻孔，孔径60mm，朝向采空区呈60°角，孔间距为800mm，深度为20.0m，排距800mm。密集孔打设完毕后，工作面正常推进，待密集孔进入采空区4个循环（滞后切顶线3.2m）后，进行静态破碎剂的装药、封孔作业，封孔长度为2.0m。静态破碎剂钻孔布置方式如图3所示。封孔材料采用水泥—水玻璃双液浆进行封孔，封孔长度为2m。在进行封孔作业时，应充分保障封孔效果，当封孔材料达到一定压力后，再进行泵注破碎剂浆液的作业。

图3 静态破碎剂钻孔布置方式示意图

4 应用效果

16502工作面两回采巷道采用静态破碎技术后，静态破碎技术试验段顶板在注入破碎剂浆液之后，随着工作面回采作业的进行，顶板上能够听到明显的胀裂声音，顶板岩层处明显可见裂纹逐渐扩展。随着回采作业的进行，当工作面推进超过静态破碎技术试验区域11m后，试验区域顶板基本完全垮落，相比之前工作面最长悬顶长度20m，采用静态破碎技术后，悬顶长度减少了9m，悬顶长度降低率为45%，解决了巷道悬顶过长的问题。