马道头煤业综采悬顶区静态膨胀致裂技术研究与应用

史侠东

（晋能控股煤业集团马道头煤业有限责任公司，山西 大同 037000）

1 概况

马道头煤业8406工作面煤层厚度3.52～12.46 m，平均厚度为8.65 m，采高3.3 m，煤层之间含有夹石，煤容重为1.45 t/m3，煤层稳定性好。工作面北部为实煤区，走向长度为1532 m，倾斜长度为106 m，最大倾角7°。工作面直接顶以碳质泥岩为主，单层结构质地较软，基本顶以砂岩为主，底板为泥岩。巷道采用“锚杆+金属网+锚索”联合支护方式，由于工作面岩层强度较高、稳定性好，且巷道的锚杆锚索联合支护作用于两端三角形悬板，导致综采过程中基本顶无法有规律的周期性垮落，使采空区顶板出现大面积悬顶，煤层上下隅角处集聚瓦斯以及悬顶垮塌时会产生高压飓风[1-2]，直接对井下综采安全造成威胁。研究悬顶区静态膨胀致裂技术，安全高效地对8406 工作面顶板进行破坏，避免大面积悬顶的产生，是解决当前综采安全隐患的有效途径。

2 静态膨胀致裂原理

8406 工作面综采过程中形成的巷道端头弧三角区结构如图1。在采空区基本顶坍塌后，位于端头的弧三角区域顶板在保护煤柱和采煤工作面煤体共同支撑下，直接顶会形成悬壁结构，并会随着工作面推进距离的增加，悬臂结构的面积也会增大，悬顶端头与保护煤柱和支架切顶线方向会产生很大弯矩[3]，导致切线处出现断裂，进而形成大面积悬顶脱落[4]。

图1 8406 工作面回采巷道端头弧三角区

静态膨胀致裂是利用装填在钻孔内的膨胀剂的水化作用导致的宏观体积膨胀产生膨胀压力[5]，使岩层发生破裂。膨胀剂的主要成分是氧化钙，通过膨胀剂破岩力学分析，装填膨胀剂的钻孔直径和钻孔间距对膨胀力的破岩作用有直接影响，较大的孔径和较短的孔间距可以增大膨胀致裂效果[6]，但会增加施工量和耗材量。在膨胀剂水化膨胀力逐渐增大过程中，岩层的拉伸应力随之增大，同时膨胀剂孔内的拉伸应力首先达到极限拉伸强度，轴心面最先出现径向开裂，形成“O-X”形裂纹[7]，以此为中心扩展裂纹至破岩完成。

3 静态膨胀致裂技术应用

3.1 膨胀剂水灰比

分别按照水灰比为0.2、0.3 和0.4 配置膨胀剂，使用电阻应变仪测量膨胀剂反应过程中产生的膨胀力，测量不同反应时间三种水灰比膨胀剂膨胀压力变化曲线如图2。可以看出，膨胀力变化趋势相同，随反应时间先增大后趋于稳定，但可以达到的最大膨胀力以及所需最短时间相差较大。水灰比为0.2的膨胀剂表现出的膨胀力最大，达到78.25 MPa，所需时间为19 h 左右；其次0.3 水灰比最大膨胀力下降到48.67 MPa，所需时间为15 h 左右。随着水灰比的增加，膨胀力和时间呈现出很强的规律性。在试验过程中发现水灰比小于0.25 时，浆液流动性差，无法有效注浆；水灰比大于0.35 时，成型性较差，而膨胀力太小，无法对8406 工作面顶板致裂。根据岩性确定水灰比为0.28。

图2 不同水灰比膨胀剂膨胀压力变化曲线图

3.2 钻孔布置方案

膨胀致裂工艺实施的关键是确定膨胀剂钻孔布置以及钻孔注浆工序，钻孔直径、间距以及布置方式根据顶板岩性以及选用的膨胀剂氧化钙含量计算确定[8]。8406 工作面顶板钻孔布置如图3。根据地质资料显示，8406 工作面顶板岩层抗压强度为46.52 MPa，抗拉强度为42.28 MPa，膨胀剂中氧化钙含量约95%。确定的钻孔直径为65 mm，孔深10 m，方向与水平面呈75°夹角，钻孔间距为800 mm，距两侧自由边500 mm，每排布置5 个钻孔，排间距为1800 mm，在靠近保护煤柱一侧每隔900 mm 增加一个钻孔，钻孔整体排布为“T”字形[9]。

图3 8406 工作面顶板钻孔布置图（mm）

3.3 注浆工艺

钻孔完成后，在孔内布置四根长度依次递增的注浆管，分别编号1～4，如图4。在注浆管与钻孔的缝隙处填充棉纱至少1 m 高度后，在注浆管的下方用锚固剂和发泡剂将缝隙密封，凝固至少24 h 保证钻孔与注浆管之间的密闭，然后采用ZBQ-12/2.5型注浆泵气动搅拌机将水泥和速凝剂按照2:1 的比例搅拌成浆液。注浆气动泵压力调节至2.5 MPa，向深度最浅的1 号注浆管内注浆液，待2 号注浆管有浆液流出时，说明水泥浆液已经充满封孔高度，停止注水泥浆液，并将1 号和2 号注浆管折叠封堵。在工作面推进到该区域后，向3 号注浆管内注膨胀剂，膨胀剂水灰比为0.28，一直到4 号注浆管内有膨胀剂流出，停止注膨胀剂，并将3 号和4 号注浆管封堵，注浆工艺完成。

图4 注浆工艺示意图

4 膨胀致裂效果

膨胀剂灌注完成3 h 后，顶板发生明显裂纹，裂隙清晰。随着工作面的推进，支架后方的顶板垮落距离不大于10 m，表明在膨胀致裂技术的应用下，顶板垮落及时，能够对采空区起到较好的填充作用，效果明显。为了直观展现膨胀致裂技术效果，在工作面940～1050 m 段进行钻孔窥视，并监测该区域的矿压。

4.1 钻孔窥视

对工作面顶板膨胀开裂的三处进行钻孔内窥，如图5 所示。由上到下分别为1 号、2 号、3 号孔，可以看出顶板深度7 m 内孔两壁裂缝产生效果明显，表明该区域范围内顶板岩层致裂效果达标；在7～12 m 深度范围内属于直接顶，工作面直接顶以碳质泥岩为主，出现大量不规则裂纹，稳定性破坏严重；12 m 以下深度为基本顶，以砂岩为主，裂纹多宽大粗糙。通过钻孔窥视可以判断，采用静态膨胀致裂技术后，8406 工作面顶板裂隙发育明显，完全满足开裂垮落需求。

图5 不同膨胀致裂钻孔内窥图

4.2 矿压监测

随着工作面推进，监测煤机后方液压支架前后支柱的压力，以判定顶板静态膨胀致裂工艺实施效果，根据监测数据绘制图6。图中前半部分为顶板未静态致裂时的液压支架承受压力，此时周期来压步距平均为34.6 m，支架受力峰值约为40 MPa；后半部分为顶板受到膨胀剂静态致裂后的液压支架承受压力，周期来压步距平均值降低为22.5 m，支架受力峰值降低为22 MPa。静态膨胀致裂顶板的周期来压步距和最大压力值的明显降低，表明工作面顶板垮落，顶板应力得以释放。

图6 液压支架随工作面推进压力变化曲线图

5 结语

马道头煤业8406 工作面岩层稳定性好，巷道锚杆锚索联合支护形成顶板三角形悬板结构，导致基本顶无法有规律周期性垮落，出现大面积悬顶，增加垮塌产生高压飓风的风险，进行了悬顶区静态膨胀致裂工艺研究，形成以下结论：

1）静态膨胀致裂是利用装填在钻孔内的膨胀剂的水化作用导致的宏观体积膨胀产生膨胀压力，使岩层发生破裂，从膨胀力和显示效果时间两个角度对比三种不同水灰比膨胀剂致裂性能，结合浆液流动性和成型性要求，确定工作面顶板静态膨胀致裂膨胀剂水灰比为0.28；

2）综合钻孔直径、钻孔间距对以氧化钙为主要组分膨胀剂致裂效果的影响，确定了钻孔直径为65 mm、间距为800 mm 的“T”字形钻孔布置方案；

3）钻孔窥视显示顶板直接顶和基本顶均出现致裂裂隙，工作面顶板周期来压步距和最大压力值随工作面推进出现明显下降，均表明该静态膨胀致裂技术应用达到顶板规律垮落效果，降低了大面积悬顶安全隐患。