静态破碎剂力学性能研究及在端头悬顶中的应用

2019-10-11武利

煤 2019年9期

武利

(阳煤集团石港煤业公司，山西左权 032600)

1 工程概况

阳煤集团石港煤业公司15203综采工作面位于井田的西北翼，主采15号煤层。东、北部为未开掘的二采区工作面，西部为15102工作面，南部为已开采的15202工作面。工作面走向长756 m，倾斜长155 m，煤层倾角2～10°，平均6°，属近水平煤层。本工作面煤层赋存稳定，结构复杂，煤层厚度6.83～7.27 m，平均7.15 m。一般含夹石2层，顶板向下2.25 m处有一层0.29 m厚度的夹石，底板向上1.87 m处是一层0.28 m厚的砂质泥岩，煤层节理发育。根据井田精查地质报告，15号煤层煤尘具有爆炸危险性。工作面采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤法，全部垮落法处理采空区，进风巷和回风巷均为锚网支护，工作面回采过程中巷道端头后方存在顶板不易垮落的问题，拟采用静态破碎的方法来缩短悬顶距离，减小顶板初次垮落歩距，为工作面安全生产创造条件。现对静态破碎剂的力学性能进行研究。

2 静态破碎剂力学性能实验研究

2.1 实验原理

中华人民共和国建材行业标准JC506-2008无声破碎剂中所提供的实验方法具体原理为：通过在Q235薄壁钢筒外侧相应位置粘贴电阻片，并用塑料袋包裹置入恒温水箱中，这样在破碎剂发生水化反应后使得钢筒产生受压膨胀，通过应变片得出的钢筒变形值，再根据静态破碎剂径向膨胀压力的下述公式即可得出膨胀压力的大小。

静态破碎剂在钢管中产生的径向膨胀压力计算公式：

p=ES(K2-1)(εθ-μ)

式中：ES为钢筒的弹性模量，本实验取2.06×105MPa；K为钢筒的内外径比值；εθ为钢筒的径向应变；μ为钢筒的泊松比，本实验取0.3；p为钢筒受水化反应后产生的径向膨胀压力。

2.2 实验方案设计[1]

本次实验采用壁厚2 mm，外径200 mm，筒高600 mm的有机玻璃筒；高度为500 mm的Q235B型钢管，1 mm厚的封孔钢板；型号为BF350-3AA的应变片，其敏感栅尺寸为3.2 mm×2.5 mm；型号为CM-2B的静态电阻应变仪，该应变仪的补偿电阻为350 Ω，量程为(1～15 000)×10-6。保持实验室的相对湿度大于50%，温度约17°。实验时在Q235钢管上端预留直径2 mm的排气孔和直径10 mm的注浆孔，待注浆完成后进行封闭。

1) 选用内径为40 mm，外径为48 mm的钢管，分别配制水灰比为0.25、0.28、0.33、0.43的浆液进行实验，观察不同水灰比下的膨胀压力，优选出最佳水灰比。

2) 选用实验1)中优选出的最佳水灰比进行浆液的配制。将其注入内径为30 mm，外径为38 mm；内径为40 mm，外径为48 mm；内径为50 mm，外径为58 mm；内径为60 mm，外径为68 mm的4组钢管内，观察浆液在不同孔径下的膨胀压力，优选出膨胀压力最大的最佳孔径。

3) 选用实验1)中优选出的最佳水灰比，分别在水温为15°、25°、35°的条件下进行破碎剂的配制，然后注入到实验2)优选出的膨胀压力最大的最佳孔径的钢管内。观察在不同水温下配制静态破碎剂的膨胀压力的变化情况及极值。

2.3 实验结果分析

在进行实验1)后，将所得数据代入p=ES(K2-1)(εθ-μ)，得到不同水灰比下静态破碎剂产生的径向膨胀压力的数值。结果如图1所示。

图1 不同水灰比下的径向膨胀压力

从图1可以发现：不同水灰比配制出的静态破碎剂所产生的径向膨胀压力随时间变化的趋势基本一致，在水化反应初期，破碎剂产生的径向膨胀压力缓慢增长，随着反应时长的增加，从约4 h开始，破碎剂产生的径向膨胀压力迅速增长，并在20 h左右，破碎剂产生的径向膨胀压力逐渐趋于稳定。在反应后期，膨胀压力的小幅下降是由于钢管的变形使一部分膨胀压力被释放所致。并且水灰比为0.25时静态破碎剂产生的径向膨胀压力最大，峰值约91 MPa。考虑到在实际工程应用中，水灰比小于0.2时，配制静态破碎剂时浆液粘稠度不够大，且流动性较差；当水灰比大于0.3时，虽然配制成的浆液流动性较好，但是产生的径向膨胀压力达不到理想的峰值。所以在实际工程应用中选择最佳水灰比为0.25。

在实验1)优选出的0.25最佳水灰比的条件下进行实验2)，得到0.25水灰比条件下静态破碎剂在不同孔径下产生的膨胀压力与应变比，如图2所示。

图2 0.25水灰比条件下静态破碎剂在

从图2可发现：所选钢管的孔径越大，破碎剂产生的径向膨胀压力、轴向膨胀压力及应变比也越大，并且应变比和径向膨胀压力的变化趋势基本一致。随着孔径的增大，应变比随之增大，则破碎剂产生的径向膨胀压力和轴向膨胀压力的差值会逐渐减小，这是由于在较小孔径的钢管内，水化反应的进行会产生自封孔现象来约束轴向的膨胀现象，而在孔径较大的钢管内，浆液在钢管内进行水化反应时处于流体状态，不会发生自封孔现象，从而不会约束轴向的膨胀现象所致。从图中可以看出，0.25水灰比条件下静态破碎剂在60 mm孔径下产生的膨胀压力最大，约为98 MPa。

在实验1)优选出的0.25最佳水灰比，实验2)优选出的最佳60 mm孔径钢管的条件下进行实验3)，得到不同水温[2]下配制静态破碎剂的膨胀压力的变化曲线，如图3所示。

从图3可发现：不同水温下配制的静态破碎剂反应产生膨胀压力的速率明显不同，但是最终反应产生的膨胀压力的极值相差较小。这是由于静态破碎剂的主要成分为氧化钙[3]，水温越高，氧化钙与水的反应速度就会越快，即破碎剂快速膨胀所需的时间越短，但是反应物中氧化钙的量是一定的，虽然水温不同会导致反应速度的不同，但不会影响最大膨胀压力所致。考虑到在实际工程应用中水温过高时，氧化钙与水的反应速度太快，会在短时内产生大量的能量，容易产生喷孔的现象。因此，在实际工程应用中应根据现场作业要求来控制水温进行破碎剂的配制。

图3 不同水温下配制静态破碎剂的膨胀压力的变化曲线

综上所述，在实际工程应用中，要使静态破碎剂产生最佳的膨胀效果，配制时的最佳水灰比为0.25，钢管最佳孔径为60 mm，且应在合理的水温下进行破碎剂的配制，来控制破碎剂的膨胀速度。

3 现场应用及效果[4]

考虑到石港煤业公司15203综采工作面的顶板岩层裂隙、构造发育及覆岩性质，结合巷道支护参数及现场施工情况，设计钻孔的孔距为800 mm，排距为800 m，钻孔长度5 000 mm，钻孔的倾角与巷道轴线向采空侧方向45°，具体布置情况如图4所示。在3排钻孔布置完成后，静态破碎剂的注浆作业和钻孔作业同时进行，注浆材料选用经过实验得到的最优选材料进行注浆作业，直至完成计划工作量。

15203综采工作面回采巷道端头顶板在未实施静态破碎技术前的悬顶距离较长，约20 m以上，并且回采巷道顶板下沉缓慢；在实施静态破碎技术后，仅仅数小时内即可听到巷道顶板有明显的碎裂的声音。在实施静态破碎技术后的第二天，巷道顶板塌落的速度明显加快，采空区侧回采巷道后方端头的悬顶距离明显减小，在回采巷道实施静态破碎的作用取得了预期效果。