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《煤礦安全雜志》2016年第一期

摘要:

為克服煤礦井下現有深孔破巖技術不足，提出將靜力破巖技術應運于煤礦井下深孔破巖工作中。基于理論分析靜力破巖原理得出被破巖體發生拉伸破壞，提出實施深孔靜力破巖的技術要求。在某礦K8113工作面進風巷落山方向實施深孔靜力破巖技術以減小回采巷道采空區后方較大范圍懸頂問題的工程試驗，試驗后懸頂距離比未處理時縮短10m左右，減小約50%，表明深孔靜力破巖技術對解決兩巷落山頂板的懸頂問題可行有效。

關鍵詞:

脹裂劑;深孔破巖;鉆孔布置;落山懸頂;靜力破巖

在煤礦井下開采工作中，經常需要深孔破巖。如深孔爆破弱化預裂工作面開切眼堅硬頂板，減少老頂初次來壓步距;深孔爆破松動工作面端頭回采巷道頂板使其及時垮落等。目前，煤礦井下使用的深孔破巖方法有鉆深孔裝炸藥爆破和注高壓水脹裂、軟化破巖。但這2種方法在一些具體應用中存在安全隱患或達不到破巖要求等缺陷。為滿足煤礦井下安全高效的破巖需求，提出將安全、溫和、可控而又有效的靜力破巖技術應用于煤礦井下深孔破巖工作中［1］。

1深孔靜力破巖技術

1．1破巖原理靜力破巖技術使用脹裂劑的主要成分是氧化鈣，氧化鈣和水反應生成氫氧化鈣，在放出熱量的同時，體積增大產生膨脹壓力，膨脹體積增長測定實驗表明脹裂劑自由狀態下反應后體積為原體積的3～5倍。在鉆孔內裝填脹裂劑，脹裂劑產生的膨脹壓力施加到鉆孔壁上，使孔壁徑向受到壓應力作用，切向和軸向受到拉應力作用，由于巖石的抗拉強度小于其抗壓強度，因此巖體發生拉伸破壞。實驗室采用電阻應變片測量法測定得出脹裂劑產生膨脹壓力主要發生在前2h，隨時間呈現先緩慢增大，然后急劇增大，最后保持平穩的變化趨勢，最大可達50～80MPa［2］，煤礦井下巖石的抗拉強度大約只有其抗壓強度的1/10～1/20，即小于20MPa，脹裂劑所產生的膨脹壓力遠大于被破巖體的抗拉強度，滿足破巖所需力度。目前，靜力破巖技術主要用于鬧市區拆除破碎工程，廠房內混凝土基礎拆除和建筑石材開采等，破碎對象是處于二維應力狀態下有天然自由面的小范圍巖體，易于實施［3］。在煤礦井下實施深孔靜力破巖技術，鉆孔深度可達數十米甚至上百米，破巖對象是處于三軸應力狀態下沒有自由面的天然巖體，需要在裝藥孔(主孔)周圍布設一些不裝藥的鉆孔(輔孔)，讓輔孔提供臨空面釋放膨脹壓力并控制膨脹壓力的作用方向，主孔受力狀態示意圖如圖1。在主孔內裝入脹裂劑并封孔，脹裂劑與水發生熱化學反應，將膨脹壓力緩慢施加到主孔孔壁，使主孔徑向受壓應力作用，切向受拉應力作用，主孔周圍巖體在拉應力作用下沿輔孔方向萌生裂紋，隨著主孔內化學反應繼續，膨脹壓力逐漸增大，主孔受到的切向拉應力也逐漸增大，裂紋繼續擴展直至布孔范圍內巖體產生較大裂紋松動破碎［4－5］，如圖2。

1．2技術要求1)根據被破巖體的硬度系數f，在被破巖體上按不同結構的布設主孔和輔孔。當被破巖體是軟巖f≤4時，按主輔直線結構布孔，如圖3;當被破巖體是中硬巖4＜f≤8時，按主輔菱形結構布孔，如圖4;當被破巖體是硬巖f＞8時，按主輔五花結構布孔，如圖5。2)根據試驗得出最大膨脹壓力與孔徑呈線性關系，孔徑越大，最大膨脹壓力越大;直徑40mm的孔，可產生85MPa左右的膨脹壓力。3)在主孔內裝填脹裂劑的方式有注漿法或藥卷法，由于脹裂劑的熱化學反應較快，單孔裝填時間控制在30min內。采用注漿法裝藥時，待鉆孔按給定參數鉆出后在主孔內距孔口0．5m處安裝封孔器，通過封孔器利用注漿泵向主孔內注漿;采用藥卷法裝藥時，將脹裂劑裝入長0．5m，直徑比主孔直徑小10mm的透水袋中制成藥卷，將藥卷浸水5min后用炮棍逐節裝入主孔，第1節藥卷必須到達孔底，藥卷與藥卷之間振搗密實，待裝至距孔口0．5m時停止裝藥并用封孔器封孔。

2工程應用

某礦主采15號煤，為高瓦斯礦井，回采巷道采空區頂板在回采過程中不能按需垮落。回采巷道采空區后方有較大范圍懸頂，造成通風死角和向采空區漏風等嚴重安全隱患，同時還引起區段煤柱形成較大支承壓力，使煤柱的穩定性減弱，并影響鄰近巷道圍巖的穩定性和維護，惡化生產條件。針對該礦實際情況，以K8113工作面進風巷(寬×高為4．5m×3．1m)為例，鉆孔布置如圖6和圖7。按1．2中的技術要求在落山巷道采空側實施深孔靜力破巖工程試驗。試驗前頂板退錨、剪網，落山懸頂目測在20m以上。試驗測定頂板巖體硬度系數f=2．5，選擇直線布孔結構在巷道頂板上沿工作面方向布設3排直線鉆孔，起始鉆孔與運輸巷道外幫水平距離取0．5m，鉆至與實體煤幫之間的距離小于0．5m時，停止鉆孔;孔徑Φ取40mm，孔距a計算得0．5m，通過關鍵層理論結合冒落帶高度確定被破巖體深度為25m，孔深H取24m，鉆孔與水平面之間的夾角向采空側取45°;相鄰排鉆孔主、輔孔間隔布置，排距計算得0．8m。待主輔孔按給定參數鉆出且用壓風將主孔吹洗干凈后，在距主孔口0．5m處安裝MAZF－22封孔器，將拌制好的脹裂劑利用ZBQS－12/10礦用氣動注漿泵通過封孔器注入主孔內。注漿結束數小時內，頂板有明顯脹裂聲響。工作面繼續向前推進4刀，即3．2m后，目測落山巷道直接頂開始逐步冒落，增加了自由面后，加速了頂板的垮落，老頂在礦山壓力作用下也逐步塌落。又推進12刀，即約10m后，目測試驗區域頂板基本完全塌落，試驗效果顯著。

3結論

1)通過在該礦K8113工作面進風巷落山方向實施深孔靜力破巖技術以減小回采巷道采空區后方較大范圍懸頂問題的工程試驗，試驗后目測懸頂距離比未處理的頂板縮短了10m左右，減小約50%，效果顯著，表明深孔靜力破巖技術對解決兩巷落山頂板的懸頂問題可行有效。2)通過工程試驗驗證了在煤礦井下實施深孔靜力破巖技術的破巖原理中提出主孔裝藥產生膨脹壓力作用，輔孔不裝藥充當自由臨空面，釋放膨脹壓力以及引導裂紋發生發展方向和控制破碎范圍的主、輔孔結構布置和裝藥方式合理。

參考文獻:

［1］閏軍，易建政，崔海萍．靜態脹裂劑(SCA)的研究進展［J］．工程爆破，2008(9):85－87．

［2］龍維棋．特種爆破技術［M］．北京:冶金工業出版社，1993．

［3］唐烈先，唐春安，唐世斌，等．靜態破碎的物理與數值試驗［J］．巖土工程學報，2005，27(4):437－441．

［4］王建鵬．靜態破碎劑破巖機理研究［J］．中國礦業，2008，17(11):90－92．

［5］楊仁樹，孫中輝，伶強，等．靜態破碎劑作用下裂紋擴展行為的動態分析［J］．中國礦業，2010(9):7－11．

［6］李巖，馬芹永．靜態破碎劑反應溫度變化規律的試驗與分析［J］．地下空間與工程學報，2013(12):1289．

作者：任興云 郝兵元 單位：太原理工大學 礦業工程學院