静态煤岩胀裂剂在高瓦斯矿井中的应用浅析_曾一鸣.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 1工程概况 高河煤矿为高瓦斯矿井， W1310 低位放顶煤综 采工作面位于该矿西一盘区， 开采 3 煤， 煤层埋深约 464.5m， 煤层倾角为 1～7， 煤层厚度 6～7m， 平均 厚度 6.5m， 属于近水平厚煤层， 煤层间夹有一层厚度 0.2m 左右的炭质泥岩矸石，工作面标高 417.302～ 496.69m， 切眼长度 320m， 进风顺槽全长为 1872m， 回 风顺槽全长为 5156m。3 距离下部 9 煤层约 65m。 W1310 工作面巷道布置平面图如图 1 所示。W1310 工作面进风顺槽采用锚索网 钢筋梯子梁联合支护， 顶板锚杆选用左旋无纵筋螺纹钢锚杆， 巷帮锚杆选用 螺纹钢锚杆，具体支护参数如图 2 所示。该矿在 W1310 工作面回采过程中出现顺槽后方端头不易随 采垮落， 悬顶距离过大的问题， 从而导致巷道支撑压 力增大、通风系统漏风、上隅角瓦斯积聚等问题的出 现， 现矿方拟采用 “静态煤岩胀裂剂” 作为膨胀材料进 行顺槽后方端头顶板的静态破碎， 从而解决上述问题。 图 1W1310 工作面巷道布置平面图 2静态胀裂剂的特性分析 2.1胀裂剂膨胀压与孔径关系 为了研究静态煤岩胀裂剂的膨胀压与孔径的关 系， 现在国标 JC- 506- 2008 的要求下， 选用 4 组孔径 不同的粘有应变片的 Q235 钢管进行胀裂试验， 测试 不同孔径下胀裂剂所产生的膨胀压力， 其内径分别为 15mm、 20mm、 32mm、 40mm， 外 径 分 别 为 20mm、 25mm、 32mm、 48mm。所测数据如表 1 所示。 静态煤岩胀裂剂在高瓦斯矿井中的应用浅析 曾 一 鸣 （山西高河能源有限公司 , 山西 长治 046000 ） 摘要 高河煤矿高瓦斯矿井 W1310 工作面存在回采巷道端头后方顶板不易垮落的问题， 拟采用静 态胀裂技术解决该问题。通过 ANSYS4.0 软件中材料的热膨胀性建立模型模拟静态胀裂剂在煤岩体 的膨胀过程， 研究静态胀裂剂的特性。提出了利用 “静态煤岩胀裂剂” 作为膨胀材料， 在不强制拆除锚 索的前提下， 在顶板钻孔注浆， 进行静态致裂来缩短巷道后方端头的悬顶距离的措施。 结果表明 在采 取了顶板静态破碎的治理措施后， 工作面顶板的塌落速度明显加快， 靠近采空区侧巷道后方端头的悬 顶距离明显减小， 静态胀裂剂的使用取得了不错的效果。 关键词 高瓦斯矿井 ； 静态胀裂剂 ； 悬顶距离 ； 顶板塌落速度 中图分类号 TD327.2文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0177- 04 Analysis of the application of static coal rock blasting agent in high gas mine ZENG Yiming Shanxi Gaohe EnergyCo., Ltd. , Shanxi Changzhi 046000 AbstractThe W1310 working face of the high gas mine in Gaohe Coal Mine has the problem that the top plate behind the end of the mining roadway is not easy to fall. It is proposed to solve the problem by static expansion technology. The model of thermal expansion of materials in ANSYS4.0 software was used to simulate the expansion process of static blasting agent in coal and rock mass, and the characteristics of static blasting agent were studied. The use of “static coal rock blasting agent“ as the expansion material, under the premise of not forcibly removing the anchor cable, under the roofdrillingand grouting, static cracking to shorten the ceiling distance ofthe rear end ofthe roadway. The results showthat after adoptingthe treatment measures ofstatic crushingofthe roof, the collapse speed ofthe roofofthe workingface is obviously ac- celerated, and the distance between the tops ofthe rear end ofthe side roadwaynear the goafis obviouslyreduced. The use ofstatic blastinga- gent is good. Effect. Key words High gas mine ； Static bulgingagent ； Suspendingdistance ； Roofcollapse speed 177 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 图 2进风顺槽断面支护图 通过观察表 1 可发现 胀裂剂所产生的膨胀压力 的大小与孔径大小呈线性关系， 即胀裂剂所产生膨胀 压力随着孔径的增大而增大。实验发现孔径为 40mm时， 可产生 85MPa 左右的膨胀压力。然而孔径 越大， 冲孔现象越严重， 因此设计孔径时， 不易过大， 也不易过小。鉴于工程实际中的应用， 孔径 40mm是 最符合实际工程应用的。 表 1不同孔径下胀裂剂的膨胀压力 2.2数值模型的建立 根据高河矿 W1310 工作面上覆岩层煤岩体的物 理力学参数， 并结合现场顶板支护参数， 孔距设计为 800mm。通过 ANSYS4.0 软件中材料的热膨胀性建立 模型模拟胀裂剂在煤岩体的膨胀过程。 模型的尺寸为 5m5m5m， 钻孔间距为 0.8m， 钻孔孔径为 40mm。 煤的弹性模量取 2GPa， 泊松比取 0.3， 单轴抗压强度 取 2.1MPa， 静态煤岩胀裂剂的线膨胀系数取 110-4。 通过对静态煤岩胀裂剂施加温度来实现加载[1]。 2.3数值模拟结果分析 煤体在静态煤岩胀裂剂的作用下致裂剥落的过 程如图 3 所示。观察图 3 发现， 图 3 （a ） 中由于胀裂剂 的作用时间太短，胀裂剂还未能产生较大的膨胀压 力， 所以并没有在钻孔附近发现胀裂裂缝。 图 3 （b ） 中 绿色圆圈代表产生裂缝的位置， 网格间有绿色圆圈出 现， 表明静态煤岩胀裂剂开始发挥作用， 煤体钻孔周 围开始出现少量裂缝。图 3 （c ） 中随着时长的增加， 静 态煤岩胀裂剂进一步膨胀， 绿色圆圈明显增多， 表明 煤体钻孔周围的裂缝数量明显增加。图 3 （d ） 中静态 胀裂剂继续膨胀，可以明显看到钻孔周围的胀裂裂 缝， 并向另一个钻孔贯穿。图 3 （e ） 中静态胀裂剂的膨 胀速度达到高峰，钻孔周围的胀裂裂缝明显增加， 并 且可以明显的观察道两个钻孔间产生了贯穿裂缝， 并 且图中可以观察到红色圆圈的出现， 说明这一区域产 生 y方向裂缝， 致裂效果良好。 图 3-（f ） 静态煤岩胀裂 剂进一步膨胀， 可以观察到各钻孔之间的贯通裂缝迅 速增加， 裂缝密度和裂缝宽度不断增大， 图中红色圆 圈的数量也逐渐增多， 即 y方向的裂缝在不断增加。 （a ）第 1 子步煤体胀裂（b） 第 2 子步煤体胀裂 正断面图正断面图 （c ）第 3 子步煤体胀裂（d）第 4 子步煤体胀裂 正断面图正断面图 （e） 第 5 子步煤体胀裂（f ） 第 6 子步煤体胀裂 正断面图正断面图 图 3静态煤岩胀裂剂作用下煤体的开裂冒落过程 综上 静态煤岩胀裂剂在刚注入煤体钻孔时， 由 于胀裂剂的作用时间太短，胀裂剂所产生的膨胀压 较小， 致裂效果不明显， 但随着胀裂剂作用时长的增 加， 胀裂剂产生较大的膨胀压力， 并且逐步会产生两 个钻孔间的贯穿裂缝， 同时产生 y 方向的裂缝， 致使 孔径 /mm 时间 /h 膨胀压力 /MPa 15202540 240.252.462.870.9 442.953.964.174.5 644.554.765.576.7 845.255.368.380.4 1045.155.470.283.2 1244.255.369.780.1 178 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 煤岩体开裂冒落， 致裂效果良好。 静态胀裂剂在模拟 中破碎效果良好， 并且 0.8m 的孔间距和 40mm 的孔 径合理。 3工作面顶板静态破碎技术 3.1钻孔的布置 考虑到高河煤矿 W1310 工作面覆岩性质及顶板 岩层的节理、 裂隙发育、 构造的发育情况， 并结合现场 顶板支护参数， 钻孔的孔距和排拒均设计为 800mm。 注浆钻孔的打孔深度为目标破碎深度的 90， 根据 现场具体情况， 设计注浆钻孔与巷道轴线向采空侧方 向的夹角为 45， 钻孔的长度为 5000mm， 具体布置 参数如图 4 所示。 图 4运输顺槽钻孔布置示意图 3.2钻孔注浆[2-3] 现场作业时发现该顺槽顶板覆岩有离层移动的 现象， 因此所打钻孔内部不平整， 钻孔内部有裂隙存 在， 为了避免向钻孔内注静态胀裂剂时， 浆液从裂隙 向围岩中渗漏， 造成胀裂剂的浪费， 需要在注浆作业 前使用 ZF- A22 封孔器在距离孔口约 0.5m 处进行封 孔。具体的注浆步骤如下 1 ） 注浆钻孔布置方案 注浆钻孔与巷道轴线向采 空侧方向的夹角为 45，钻孔的长度为 5000mm， 孔 距为 800mm， 排拒为 800mm， 钻孔直径为 40mm。 2 ） 注浆前准备工作 在钻孔作业前， 必须进行 “敲 帮问顶” ， 避免在钻孔时发生围岩剥落的现象， 对设备 和人员造成不必要的伤害； 作业前调试注浆泵、 锚杆 钻机、 风管等设备， 避免注浆过程中设备出现问题， 耽 误施工进程。 3 ） 临时支护的布置 在顺槽后方端头需要静态胀 裂剂致裂顶板的区域内， 用单体支柱进行巷道的临时 支护， 支设临时支护的范围和密度根据现场作业条件 进行调整， 要保证施工人员有足够的作业空间。 4 ） 钻眼 支设临时支护后， 根据设计方案， 在顶板 上开始钻孔。 5 ） 封孔 在注浆作业前使用 ZF- A22 封孔器在距 离孔口约 0.5m处进行封孔。 6 ） 退锚 在顺槽后方端头需要静态胀裂剂致裂顶 板的区域内进行顶板锚索的退锚作业； 退锚率要求在 85以上，由于现场实际情况退锚率达不到 85时， 需要加强支护。 7 ） 静态胀裂剂浆液的配制 啊静态胀裂剂的配比 为水 煤岩胀裂剂 3 7， 使用搅拌器将其搅拌成均匀 的具有良好流动性的浆液，在浆液搅拌均匀的 10 分 钟内完成钻孔内的注浆作业，否侧会因为时间过长， 降低浆液的流动性， 从而降低胀裂剂的胀裂效果[4]。 8 ） 注浆作业 根据经验， 注浆过程中要求终孔压 力大于 2MPa， 每个钻孔需要 0.02m3 的静态胀裂剂。 9 ） 拆除临时支护 待注浆工作完成后， 将所支设 的单体支柱临时支护拆除， 结束本循环的注浆作业。 3.3顶板破碎效果 在顶板静态破碎技术实施前高河煤矿 W1310 工 作面落山顶板下沉缓慢，落山悬顶长度大约在 20m 以上， 在顶板静态破碎技术实施后数小时内， 可以观 察到工作面顶板有明显的胀裂的声响， 工业性试验结 束后第二天， 发现落山巷道顶煤开始逐步冒落， 在增 加了自由面后， 顶板的塌落速度明显加快， 老顶中粒 砂岩在矿山压力作用下也逐步开始塌落， 靠近采空区 侧巷道后方端头的悬顶距离明显减小， 静态胀裂剂的 使用取得了不错的效果。 4结论 1 ） 通过 ANSYS4.0 软件中材料的热膨胀性建立 模型模拟胀裂剂在煤岩体的膨胀过程， 发现静态煤 岩胀裂剂在注入钻孔的初始阶段，膨胀较为缓慢， 但之后将迅速膨胀，膨胀产生的裂缝向其相邻钻孔 一侧发展， 并且会产生 y 方向的裂缝， 随着时长的增 加最终裂缝贯通， 致使煤岩体开裂冒落。 静态胀裂剂 在模拟中破碎效果良好。 2 ） 通过现场实测发现在采取了工作面顶板静态 破碎的治理措施后， 高河煤矿 W1310 工作面顶板在 施工后数小时内就有明显的胀裂的声响，并且第二 天顶板的塌落速度明显加快，老顶中粒砂岩在矿山 压力作用下也逐步开始塌落，靠近采空区侧巷道后 方端头的悬顶距离明显减小，静态胀裂剂的使用取 得了不错的效果。（下转第 182 页） 179 ChaoXing （上接第 179 页） 参考文献 [1] 杜良玉.静态胀裂剂破岩机理试验研究[D].北京中国矿 业大学,2008. 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