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第 35 卷 第 1 期 2018 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 1 ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ Mar. 2018 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 01. 022 煤岩静态破碎剂合理组分及配比实验研究* 李 胜 1， 2， 李宗杰1， 罗明坤1 （1. 辽宁工程技术大学 矿业学院， 阜新 123000; 2. 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 徐州 221116 摘 要 针对爆破切顶技术受到高瓦斯等特殊环境的限制， 提出一种可用于定向切顶的煤岩静态破碎方 法。在确定破碎剂基本组成的基础上， 利用钢管外测法测出不同组分破碎剂的膨胀压， 分析破碎剂水化反应 过程中膨胀压的变化规律和各组分对破碎剂膨胀压的影响， 确定破碎剂各组分的最佳配比， 最后利用所配制 的破碎剂进行了 C30 混凝土试块膨胀致裂试验。结果表明 CaO 是影响膨胀压的主要成分， 水泥次之， 石膏 较小。煤岩静态破碎剂的最佳配比为 CaO75、 水泥 8、 石膏 3、 膨润土 5、 三聚磷酸钠 0. 6、 聚羧酸 减水剂 0. 4、 粉煤灰 8。在胀裂试验中， 试块逐渐产生细微短小裂纹， 随胀裂时间增加开裂宽度和深度缓 慢增大， 最终试块被胀裂成多块， 致裂效果较好， 为煤层顶板定向切顶提供了试验基础。 关键词 煤岩静态破碎剂；定向切顶；膨胀压力；煤岩胀裂；正交实验 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X 2018 01 -0137 -05 Experimental Study on Reasonable Composition and Proportion of Coal and Rock Static Cracking Agent LI Sheng1， 2， LI Zong-jie1， LUO Ming-kun1 （1. College of Mining， Liaoning Technical University， Fuxin 123000， China; 2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining， Xuzhou 221116， China Abstract In order to solve the blasting cutting roof technology in gas and other special environment， a static crushing was put forward. When broken agent basic components were identified， steel pipe external measure- ment was used to measure pressure of different components of crusher， the changing rule of the inflation pres- sure of different ratio of broken agent hydration reaction and the influence of different component were analyzed. The expansive cracking test was done to determine the optimum ratio of each component. The results show that， CaO is bigger than cement and plaster on the influence of inflation pressure. The optimum weight ratio of the static crushing agent is， CaO 75， cement 8， CaSO43， Na-bentonite 5， Na5P3O100. 6， poly carboxylate water reducers 0. 4， and fly ash 8 separately. In breaking test， the test block gradually produces short thin cracks and the width and depth get to increase， eventually the whole block is divided into many pieces. This technology has provided the experimental foundation for directional cutting coal roof. Key words coal rock static cracking agent;directional cutting roof;swelling pressure;coal and rock burst; orthogonal experiment 收稿日期 2017 -10 -09 作者简介 李 胜 （1976 - ， 男， 教授、 博士、 博士生导师， 主要从事 矿井动力灾害防治、 地质灾害防治、 数字矿山等方面的教 学与科研研究，（E-mail lisheng76139. com。 基金项目 国家重点研发计划 （2016YFC0801407 ; 中国矿业大学煤 炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金资助项目 （SKLCRSM15KF04 切顶卸压技术是防止冲击地压灾害有效途径之 一， 预裂爆破是卸压工程中常见方法， 但在高瓦斯等 特殊环境中， 传统爆破方法受到严格限制。煤岩静 态破碎剂是一种利用自身体积膨胀使岩石、 煤等脆 性材料破碎胀裂的粉末状工程材料。它具有无火万方数据 花、 无污染、 可控性强等特点， 针对高瓦斯、 特厚坚硬 悬顶等特殊环境， 煤岩静态破碎技术在精确切顶等 方面具有较大应用前景 [1-7]。副田孝一等通过对静 态破碎剂水化过程 Ca （OH 2 生成量及分子间空隙 的变化研究， 得出膨胀压的产生是水化反应中固体 体积的增大以及孔隙率的变化所致 [8， 9]。汪智勇等 通过对不同相体系静态破碎剂样品膨胀压等性能研 究发现， 以硅相等相为辅助相时， 随着辅助相含量的 增加， 凝结时间延长， 膨胀压减小 [10， 11]。郭瑞平等 采用宏观与微观相结合的方法 [12]， 发现水泥中的 SiO2和 CaO 在水化过程中， 产生了具有强度和胶结 性的结晶水化产物， 加固了料浆胚体结构， 提高了破 碎剂装孔后的稳定性。 目前市面所售静态破碎剂成品由于受到专利保 护， 其组分及配比不明确， 且无法对破碎剂反应时间 及膨胀力进行调控， 限制了静态破碎技术在采矿工程 中的运用与推广， 究竟怎样的静态破碎剂组分和配比 才能满足切顶卸压技术要求还有待进一步研究。 通过分析破碎剂各不同组分对破碎剂膨胀力的 影响和不同组分破碎剂水化反应过程膨胀力变化规 律， 得出了合理的煤岩静态破碎剂组分和配比。最 后通过混凝土试块胀裂实验对破碎剂胀裂和定向切 割能力进行了验证， 为进一步研究坚硬顶板精确切 顶卸压， 提供了一种新的工程材料。 1 静态破碎剂破岩机理 静态破碎剂 （简称 SCA 是利用自身体积膨胀 产生膨胀力， 作用在脆性材料的孔壁上， 当膨胀压力 增加到一定值后， 钻孔周围形成损伤区 [13]， 如图 1， 随着水化反应的进行， 膨胀压力逐渐增大， 当膨胀压 力达到煤岩的抗拉强度时就会发生开裂， 如图 2 所 示。采矿工程中所遇到的岩石抗拉强度一般不超过 10 MPa （砂岩为 2 6 MPa ， 同时， 煤岩形成过程中 受地质作用的影响， 内部存在一些微小内生裂隙， 为 裂缝进一步扩展和煤岩破裂创造了有利条件。 图 1 钻孔周围的破损区和弹性区 Fig. 1 Damage zone and elastic zone 图 2 顶板岩层的剪切开裂 Fig. 2 Shear cracking of roof strata 2 煤岩静态破碎剂组分 从现有研究来看 [14， 15]， 破碎剂主要由膨胀性物 质、 水硬性物质和外加剂组成。CaO 来源丰富， 价格 低廉， 膨胀性好， 故膨胀性物质采用 CaO 作为研究 对象。水泥和钠基膨润土水化反应产生的结晶产物 加固了料浆胚体结构， 提高了破碎剂装孔后的稳定 性。石 膏 与 三 聚 磷 酸 钠 在 水 化 反 应 中 阻 碍 了 Ca （OH 2结晶成核， 减缓水化反应的进行。聚羧酸 减水剂可减少破碎剂搅拌时的用水量， 提高浆液流 动性。粉煤灰作为填充物添加到实验中。所以实验 选取 CaO、 水泥、 石膏、 钠基膨润土、 三聚磷酸钠、 聚 羧酸高效减水剂和粉煤灰为材料研究对象。 3 实验原理及方案 3. 1 实验原理 随着水化反应的进行， 静态破裂剂体积及孔隙 率逐渐增大， 当浆体周围受到约束时， 便会产生膨胀 压力， 沿径向产生压应力， 沿切向产生拉应力 （图 3 。根据国标 JC 5062008 选取了钢管作为间接 测量静态破碎剂膨胀压力的装置， 在径向压应力 σθ 和切向拉应力 σr作用下， 钢管外壁圆周方向将会产 生变形， 通过测量应变片变形量， 再利用薄壁圆筒理 论和弹塑性力学理论， 即可求出静态破碎剂的膨胀 压力 [16]， 如式 （1 P Es（K2- 1[εθ/ （2 - v ]（1 式中 P 膨胀压力 （精确到 0. 01 MPa ， MPa; Es 钢管的弹性模量， 为 2. 06 105 MPa; K 钢管的系 数， 为 rθ/ ri（rθ钢管外径， mm; ri钢管内径， mm ; εθ 钢管圆周方向应变量， εθ 应变量/ 应变仪量程; v 泊松比， 取 0. 3。 3. 2 实验方案 仪器设备 DH5929 动态应力应变采集仪 （应变 量程 0 106 με ; 钢管 （Q235 型无缝钢管 ; 游标卡 831爆 破 2018 年 3 月 万方数据 尺 （量程 300 mm ; 电阻应变片 （规格 0. 5 20 mm， 电阻值 120. 0 0. 2 Ω 。 图 3 钢管径向和切向受力状态图 Fig. 3 The radial and tangential stress state of the steel tube 原材料 实验纯氧化钙 （ CaO 含量≥98 ; 42. 5R硅酸盐水泥; 石膏; 钠基膨润土; 三聚磷酸钠; 聚羧酸高效减水剂; Ⅱ级粉煤灰。 步骤（1 用 502 胶水将电阻应变片贴在钢管 上相应部位， 图 4 所示;（2 电阻应变片与采集数据 线端头通过专用接线端子用电烙铁焊接， 采集数据 线另一端与 DH5929 动态应力应变采集仪连接;（3 将已贴片的钢管装入塑料袋中， 然后放入水桶中， 平 衡应力应变采集仪各通道。 （4 按表 1 重量配制比 准确称取各组分， 总质量 400 g， 搅拌均匀， 按照水灰 比 0. 4 加水， 然后灌人钢管中， 由应力应变采集仪记 录钢管的圆周方向应变量。 4 实验结果与分析 由图 5 可以看出， 2 9 号实验应变曲线呈顶部 上凸 “Z” 字形， 这是由于煤岩静态破碎剂膨胀力与 应变片电阻率不同变化速度所致。造成此现象是因 为破碎剂灌浆开始水化反应非常缓慢， 膨胀力变化 小， 在 40 65 min 之后膨胀力迅速增大， 应变量随 之迅速上升， 同时伴有温度快速升高; 膨胀力达到峰 值后水化反应趋于缓和， 期间有少量水分蒸发， 温度 下降， 钢管有一定变形回弹， 圆周方向变形量在短时 间内有一定下降; 应变片变形后， 电阻率很难恢复到 原来状态， 应变量曲线呈直线状态， 之后所测数据已 无意义， 证明膨胀力达到峰值后不再升高。1 号实 验中由于 CaO 含量少， 填充物粉煤灰含量较大， 水 化反应过程中产生固体硬化， CaO 反应不充分， 水化 反应效果不好， 无膨胀力迅速增大现象， 其应变量较 小， 也没有下降趋势。4 号实验接近完成时应变片 受温度影响一部分和钢管脱离， 造成应变曲线达到 峰值后下降过程中有一段突降， 但对应变量峰值测 量没有影响。1 号实验浆体变化是由液体到坚硬胶 结固体， 其他实验浆体变化是由液体到较软胶结固 体， 再到粉末状固体。 图 4 应变片位置布置图 （单位 mm Fig. 4 Layout of strain gauge （unit mm 表 1 L 33 正交实验各组分百分比 Table 1 The percentage of L 33orthogonal test 实验 编号 CaO/ 石膏/ 水泥/ 膨润土/ 三聚磷酸 钠/ 高效减水 剂/ 粉煤灰/ 1653850. 60. 418 27051050. 60. 49 37571250. 60. 40 46551250. 60. 412 5707850. 60. 49 67531050. 60. 46 76571050. 60. 412 87031250. 60. 49 9755850. 60. 46 由图 5 （a 、（b 、（c 比较可以看出石膏和三聚 磷酸钠明显延缓了煤岩破碎剂膨胀压力峰值出现时 间; 当水泥一定时， 随着 CaO 掺量增加， 煤岩静态破 碎剂膨胀压力逐渐增大; 当 CaO 一定时， 随着水泥 掺量增加， 煤岩静态破碎剂膨胀压力逐渐增大， 但不 如 CaO 明显。通过间接计算得出的各个实验膨胀 压力与正交实验结果如表 2 所示。 931第 35 卷 第 1 期 李 胜， 李宗杰， 罗明坤 煤岩静态破碎剂合理组分及配比实验研究 万方数据 图 5 实验应变实测曲线图 Fig. 5 Curve of experimental strain 表 2 正交实验结果 Table 2 Results of orthogonal test 实验 编号 CaO （A 石膏 （B 水泥 （C 应变量/ με 膨胀压力/ MPa 111160325. 23 222264226. 88 333375631. 67 412350421. 12 523170229. 40 631282034. 34 713256423. 62 821362626. 20 932188537. 04 K169. 9885. 7791. 67 K282. 4885. 0484. 84 K3103. 0584. 6978. 99 K123. 3328. 5930. 56 K227. 4928. 3528. 28 K334. 3528. 2326. 33 极差11. 020. 364. 23 表 2 中 K1、 K2、 K3 分别表示各因素各水平膨胀 压力的总和 [17]， 由此进一步验证了静态破碎剂膨胀 力随着 CaO 与水泥的含量增加而变大， CaO 对静态 破碎剂膨胀压力有极显著影响， 水泥对静态破碎剂 膨胀压力有一定影响， 石膏对膨胀压力几乎无影响; 由极差可得出静态破碎剂膨胀压力主要因素是 CaO， 水泥次之， 石膏影响最小; K1、 K2、 K3分别表示 各因素各水平膨胀压力的平均值， 可得出各因素最 佳搭配为 A3B1C1， 即 CaO75、 水泥8、 石膏3、 膨润土 5、 三聚磷酸钠 0. 6、 聚羧酸减水剂 0. 4、 粉煤灰 8。 为了验证最佳配比静态破碎剂的效果， 补做了 两次实验， 编号为 A1 与 A2。其应变量分别为 906 με与 932 με， 应变峰值分别出现在 45 min 和 51 min， 如图 6 所示， 计算得膨胀压力力分别为 37. 94 MPa与 39. 07 MPa， 都大于正交实验中最大膨 胀压力 37. 4 MPa。 图 6 补充性实验应变实测曲线图 Fig. 6 Strain measured curves of complementary experiment 本研究在正交实验前后做了大量探索性的实 验， 其中有不少失败实验， CaO 含量在 65以下易 造成固体硬化， 使静态破碎剂膨胀压力降低， 当 CaO 含量大于 80， 在静态破碎剂搅拌过程中温度明显 升高， 造成膨胀压力损失， 也不利于工程实践; 在未 加入或少量加入石膏和三聚磷酸钠的情况下， 静态 041爆 破 2018 年 3 月 万方数据 破碎剂搅拌过程中温度上升迅速， 加入一定量石膏 或三聚磷酸钠破碎剂浆体温度升高明显延缓， 证明 石膏和三聚磷酸钠可延缓水化反应。掺加聚羧酸减 水剂的破碎剂按水灰比 0. 4 加水搅拌即可形成流动 性较强的浆体， 但没有掺加聚羧酸减水剂的破碎剂 加水至水灰比为 1 时仍不能形成浆体， 聚羧酸高效 减水剂减水效果非常明显; 钠基膨润土含量大于 5时， 容易易造成固体硬化， 不利于水化反应的进 行， 造成实验失败， 所以其含量应控制在 5以内。 5 混凝土试块胀裂试验 利用配制的煤岩破碎剂对混凝土试块进行了胀 裂试验 （图 7 ， 混凝土试块按照 C30 水泥砂浆标准 配合养护， 设计尺寸分别为 30 50 40 cm3和30 30 40 cm3， 预留孔深35 cm， 直径32 mm， 垂直底面 分布。双孔试块孔间距 20 cm， 两孔距试块边缘垂 直距离 15cm; 单孔试块预留孔位于试块中心位置。 浆体灌入孔中 50 min 左右孔口发生固结现象， 未发 生喷孔， 孔口温度稍大于周围温度， 在 6h 左右试块 出现微小裂纹， 24 h 后裂纹不再变化可认为反应结 束， 胀裂效果如图 7。从图中可知， 单孔试块经胀裂 后产生 3 条裂缝， 3 条裂缝以钻孔为中心大约呈 132、 105、 123分布， 裂缝 1 最宽约为 3cm， 3 条裂 缝都发展到试块边缘， 将试块一分为三， 破裂比较均 匀; 双孔试块经胀裂后， 裂缝 1、 3、 5 贯通成一条弧形 主裂缝， 裂缝宽度 2 4 cm， 将试块一分为二， 裂缝 2 与裂缝 1 夹角为 77， 裂缝 4 与裂缝 5 夹角为 98， 将试块上半部分分割成 3 块， 证明煤岩破碎剂可通 过控制钻孔布置方式而定向破碎煤岩。混凝土试块 膨胀试验效果明显， 为将煤岩破碎剂应用到定向切 顶工程打下了坚实的基础。 图 7 混凝土试块验效果图 Fig. 7 Effect drawing of concrete test block 6 结论 1 CaO 对静态破碎剂的膨胀压力的影响最大， 但含量不易超过 80; 石膏的含量对静态破碎剂的 凝结时间有明显的影响， 对膨胀压力的影响不明显; 静态破碎剂中水泥的掺量对膨胀压力有一定影响， 但不如 CaO 明显。 2 通过实验得出煤岩静态破碎剂最佳配比为 CaO75、 水泥 8、 石膏 3、 膨润土 5、 三聚磷酸 钠 0. 6、 聚羧酸减水剂 0. 4、 粉煤灰 8。 3 本实验配置的煤岩静态破碎剂膨胀力在 38 MPa左右， 矿井岩石的抗拉强度一般不超过 10 MPa， 完全满足切顶卸压要求， 在胀裂试验中， 单 双孔试块逐渐产生细微短小裂隙， 且开裂宽度和深 度缓慢增大， 最终试块整体分割成多块， 由此证明本 研究配制的破碎剂破碎能力强且能满足定向切顶 要求。 参考文献 References [1] 曹 鑫. 静态破裂剂膨胀机理的研究 [D] . 武汉 武汉 理工大学， 2007. 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