煤矿井下深孔破岩探讨范文

《煤矿安全杂志》2016年第一期

摘要:

为克服煤矿井下现有深孔破岩技术不足，提出将静力破岩技术应运于煤矿井下深孔破岩工作中。基于理论分析静力破岩原理得出被破岩体发生拉伸破坏，提出实施深孔静力破岩的技术要求。在某矿K8113工作面进风巷落山方向实施深孔静力破岩技术以减小回采巷道采空区后方较大范围悬顶问题的工程试验，试验后悬顶距离比未处理时缩短10m左右，减小约50%，表明深孔静力破岩技术对解决两巷落山顶板的悬顶问题可行有效。

关键词:

胀裂剂;深孔破岩;钻孔布置;落山悬顶;静力破岩

在煤矿井下开采工作中，经常需要深孔破岩。如深孔爆破弱化预裂工作面开切眼坚硬顶板，减少老顶初次来压步距;深孔爆破松动工作面端头回采巷道顶板使其及时垮落等。目前，煤矿井下使用的深孔破岩方法有钻深孔装炸药爆破和注高压水胀裂、软化破岩。但这2种方法在一些具体应用中存在安全隐患或达不到破岩要求等缺陷。为满足煤矿井下安全高效的破岩需求，提出将安全、温和、可控而又有效的静力破岩技术应用于煤矿井下深孔破岩工作中［1］。

1深孔静力破岩技术

1．1破岩原理静力破岩技术使用胀裂剂的主要成分是氧化钙，氧化钙和水反应生成氢氧化钙，在放出热量的同时，体积增大产生膨胀压力，膨胀体积增长测定实验表明胀裂剂自由状态下反应后体积为原体积的3～5倍。在钻孔内装填胀裂剂，胀裂剂产生的膨胀压力施加到钻孔壁上，使孔壁径向受到压应力作用，切向和轴向受到拉应力作用，由于岩石的抗拉强度小于其抗压强度，因此岩体发生拉伸破坏。实验室采用电阻应变片测量法测定得出胀裂剂产生膨胀压力主要发生在前2h，随时间呈现先缓慢增大，然后急剧增大，最后保持平稳的变化趋势，最大可达50～80MPa［2］，煤矿井下岩石的抗拉强度大约只有其抗压强度的1/10～1/20，即小于20MPa，胀裂剂所产生的膨胀压力远大于被破岩体的抗拉强度，满足破岩所需力度。目前，静力破岩技术主要用于闹市区拆除破碎工程，厂房内混凝土基础拆除和建筑石材开采等，破碎对象是处于二维应力状态下有天然自由面的小范围岩体，易于实施［3］。在煤矿井下实施深孔静力破岩技术，钻孔深度可达数十米甚至上百米，破岩对象是处于三轴应力状态下没有自由面的天然岩体，需要在装药孔(主孔)周围布设一些不装药的钻孔(辅孔)，让辅孔提供临空面释放膨胀压力并控制膨胀压力的作用方向，主孔受力状态示意图如图1。在主孔内装入胀裂剂并封孔，胀裂剂与水发生热化学反应，将膨胀压力缓慢施加到主孔孔壁，使主孔径向受压应力作用，切向受拉应力作用，主孔周围岩体在拉应力作用下沿辅孔方向萌生裂纹，随着主孔内化学反应继续，膨胀压力逐渐增大，主孔受到的切向拉应力也逐渐增大，裂纹继续扩展直至布孔范围内岩体产生较大裂纹松动破碎［4－5］，如图2。

1．2技术要求1)根据被破岩体的硬度系数f，在被破岩体上按不同结构的布设主孔和辅孔。当被破岩体是软岩f≤4时，按主辅直线结构布孔，如图3;当被破岩体是中硬岩4＜f≤8时，按主辅菱形结构布孔，如图4;当被破岩体是硬岩f＞8时，按主辅五花结构布孔，如图5。2)根据试验得出最大膨胀压力与孔径呈线性关系，孔径越大，最大膨胀压力越大;直径40mm的孔，可产生85MPa左右的膨胀压力。3)在主孔内装填胀裂剂的方式有注浆法或药卷法，由于胀裂剂的热化学反应较快，单孔装填时间控制在30min内。采用注浆法装药时，待钻孔按给定参数钻出后在主孔内距孔口0．5m处安装封孔器，通过封孔器利用注浆泵向主孔内注浆;采用药卷法装药时，将胀裂剂装入长0．5m，直径比主孔直径小10mm的透水袋中制成药卷，将药卷浸水5min后用炮棍逐节装入主孔，第1节药卷必须到达孔底，药卷与药卷之间振捣密实，待装至距孔口0．5m时停止装药并用封孔器封孔。

2工程应用

某矿主采15号煤，为高瓦斯矿井，回采巷道采空区顶板在回采过程中不能按需垮落。回采巷道采空区后方有较大范围悬顶，造成通风死角和向采空区漏风等严重安全隐患，同时还引起区段煤柱形成较大支承压力，使煤柱的稳定性减弱，并影响邻近巷道围岩的稳定性和维护，恶化生产条件。针对该矿实际情况，以K8113工作面进风巷(宽×高为4．5m×3．1m)为例，钻孔布置如图6和图7。按1．2中的技术要求在落山巷道采空侧实施深孔静力破岩工程试验。试验前顶板退锚、剪网，落山悬顶目测在20m以上。试验测定顶板岩体硬度系数f=2．5，选择直线布孔结构在巷道顶板上沿工作面方向布设3排直线钻孔，起始钻孔与运输巷道外帮水平距离取0．5m，钻至与实体煤帮之间的距离小于0．5m时，停止钻孔;孔径Φ取40mm，孔距a计算得0．5m，通过关键层理论结合冒落带高度确定被破岩体深度为25m，孔深H取24m，钻孔与水平面之间的夹角向采空侧取45°;相邻排钻孔主、辅孔间隔布置，排距计算得0．8m。待主辅孔按给定参数钻出且用压风将主孔吹洗干净后，在距主孔口0．5m处安装MAZF－22封孔器，将拌制好的胀裂剂利用ZBQS－12/10矿用气动注浆泵通过封孔器注入主孔内。注浆结束数小时内，顶板有明显胀裂声响。工作面继续向前推进4刀，即3．2m后，目测落山巷道直接顶开始逐步冒落，增加了自由面后，加速了顶板的垮落，老顶在矿山压力作用下也逐步塌落。又推进12刀，即约10m后，目测试验区域顶板基本完全塌落，试验效果显著。

3结论

1)通过在该矿K8113工作面进风巷落山方向实施深孔静力破岩技术以减小回采巷道采空区后方较大范围悬顶问题的工程试验，试验后目测悬顶距离比未处理的顶板缩短了10m左右，减小约50%，效果显著，表明深孔静力破岩技术对解决两巷落山顶板的悬顶问题可行有效。2)通过工程试验验证了在煤矿井下实施深孔静力破岩技术的破岩原理中提出主孔装药产生膨胀压力作用，辅孔不装药充当自由临空面，释放膨胀压力以及引导裂纹发生发展方向和控制破碎范围的主、辅孔结构布置和装药方式合理。

参考文献:

［1］闰军，易建政，崔海萍．静态胀裂剂(SCA)的研究进展［J］．工程爆破，2008(9):85－87．

［2］龙维棋．特种爆破技术［M］．北京:冶金工业出版社，1993．

［3］唐烈先，唐春安，唐世斌，等．静态破碎的物理与数值试验［J］．岩土工程学报，2005，27(4):437－441．

［4］王建鹏．静态破碎剂破岩机理研究［J］．中国矿业，2008，17(11):90－92．

［5］杨仁树，孙中辉，伶强，等．静态破碎剂作用下裂纹扩展行为的动态分析［J］．中国矿业，2010(9):7－11．

［6］李岩，马芹永．静态破碎剂反应温度变化规律的试验与分析［J］．地下空间与工程学报，2013(12):1289．

作者：任兴云 郝兵元 单位：太原理工大学 矿业工程学院