煤礦井下深孔破巖探討范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了煤礦井下深孔破巖探討參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《煤礦安全雜志》2016年第一期

摘要:

為克服煤礦井下現(xiàn)有深孔破巖技術(shù)不足，提出將靜力破巖技術(shù)應(yīng)運(yùn)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(fā)生拉伸破壞，提出實(shí)施深孔靜力破巖的技術(shù)要求。在某礦K8113工作面進(jìn)風(fēng)巷落山方向?qū)嵤┥羁嘴o力破巖技術(shù)以減小回采巷道采空區(qū)后方較大范圍懸頂問題的工程試驗(yàn)，試驗(yàn)后懸頂距離比未處理時(shí)縮短10m左右，減小約50%，表明深孔靜力破巖技術(shù)對解決兩巷落山頂板的懸頂問題可行有效。

關(guān)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(jīng)常需要深孔破巖。如深孔爆破弱化預(yù)裂工作面開切眼堅(jiān)硬頂板，減少老頂初次來壓步距;深孔爆破松動(dòng)工作面端頭回采巷道頂板使其及時(shí)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(yīng)用中存在安全隱患或達(dá)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(shù)應(yīng)用于煤礦井下深孔破巖工作中［1］。

1深孔靜力破巖技術(shù)

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

1．2技術(shù)要求1)根據(jù)被破巖體的硬度系數(shù)f，在被破巖體上按不同結(jié)構(gòu)的布設(shè)主孔和輔孔。當(dāng)被破巖體是軟巖f≤4時(shí)，按主輔直線結(jié)構(gòu)布孔，如圖3;當(dāng)被破巖體是中硬巖4＜f≤8時(shí)，按主輔菱形結(jié)構(gòu)布孔，如圖4;當(dāng)被破巖體是硬巖f＞8時(shí)，按主輔五花結(jié)構(gòu)布孔，如圖5。2)根據(jù)試驗(yàn)得出最大膨脹壓力與孔徑呈線性關(guān)系，孔徑越大，最大膨脹壓力越大;直徑40mm的孔，可產(chǎn)生85MPa左右的膨脹壓力。3)在主孔內(nèi)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(xué)反應(yīng)較快，單孔裝填時(shí)間控制在30min內(nèi)。采用注漿法裝藥時(shí)，待鉆孔按給定參數(shù)鉆出后在主孔內(nèi)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(nèi)注漿;采用藥卷法裝藥時(shí)，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(jié)裝入主孔，第1節(jié)藥卷必須到達(dá)孔底，藥卷與藥卷之間振搗密實(shí)，待裝至距孔口0．5m時(shí)停止裝藥并用封孔器封孔。

2工程應(yīng)用

某礦主采15號煤，為高瓦斯礦井，回采巷道采空區(qū)頂板在回采過程中不能按需垮落。回采巷道采空區(qū)后方有較大范圍懸頂，造成通風(fēng)死角和向采空區(qū)漏風(fēng)等嚴(yán)重安全隱患，同時(shí)還引起區(qū)段煤柱形成較大支承壓力，使煤柱的穩(wěn)定性減弱，并影響鄰近巷道圍巖的穩(wěn)定性和維護(hù)，惡化生產(chǎn)條件。針對該礦實(shí)際情況，以K8113工作面進(jìn)風(fēng)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(shù)要求在落山巷道采空側(cè)實(shí)施深孔靜力破巖工程試驗(yàn)。試驗(yàn)前頂板退錨、剪網(wǎng)，落山懸頂目測在20m以上。試驗(yàn)測定頂板巖體硬度系數(shù)f=2．5，選擇直線布孔結(jié)構(gòu)在巷道頂板上沿工作面方向布設(shè)3排直線鉆孔，起始鉆孔與運(yùn)輸巷道外幫水平距離取0．5m，鉆至與實(shí)體煤幫之間的距離小于0．5m時(shí)，停止鉆孔;孔徑Φ取40mm，孔距a計(jì)算得0．5m，通過關(guān)鍵層理論結(jié)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(cè)取45°;相鄰排鉆孔主、輔孔間隔布置，排距計(jì)算得0．8m。待主輔孔按給定參數(shù)鉆出且用壓風(fēng)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(dòng)注漿泵通過封孔器注入主孔內(nèi)。注漿結(jié)束數(shù)小時(shí)內(nèi)，頂板有明顯脹裂聲響。工作面繼續(xù)向前推進(jìn)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(jìn)12刀，即約10m后，目測試驗(yàn)區(qū)域頂板基本完全塌落，試驗(yàn)效果顯著。

3結(jié)論

1)通過在該礦K8113工作面進(jìn)風(fēng)巷落山方向?qū)嵤┥羁嘴o力破巖技術(shù)以減小回采巷道采空區(qū)后方較大范圍懸頂問題的工程試驗(yàn)，試驗(yàn)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(shù)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(yàn)驗(yàn)證了在煤礦井下實(shí)施深孔靜力破巖技術(shù)的破巖原理中提出主孔裝藥產(chǎn)生膨脹壓力作用，輔孔不裝藥充當(dāng)自由臨空面，釋放膨脹壓力以及引導(dǎo)裂紋發(fā)生發(fā)展方向和控制破碎范圍的主、輔孔結(jié)構(gòu)布置和裝藥方式合理。

參考文獻(xiàn):

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

［2］龍維棋．特種爆破技術(shù)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1993．

［3］唐烈先，唐春安，唐世斌，等．靜態(tài)破碎的物理與數(shù)值試驗(yàn)［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(4):437－441．

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

［5］楊仁樹，孫中輝，伶強(qiáng)，等．靜態(tài)破碎劑作用下裂紋擴(kuò)展行為的動(dòng)態(tài)分析［J］．中國礦業(yè)，2010(9):7－11．

［6］李巖，馬芹永．靜態(tài)破碎劑反應(yīng)溫度變化規(guī)律的試驗(yàn)與分析［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013(12):1289．

作者：任興云 郝兵元 單位：太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院