本文是一篇工程碩士論文，筆者針對目前綜采端頭堅硬頂板難以自由垮落問題，提出用靜態膨脹劑代替市面上常用的爆破強制放頂、水壓致裂弱化頂板和CO2致裂頂板等方法對懸頂進行膨脹致裂。
1 緒論
1.1 研究背景及意義
1.1.1 研究背景
煤炭資源是保障我國能源供應的基礎能源，人類對能源的需求與日俱增。根據中國能源報調查顯示，到2020年，煤炭占中國能源消耗總量的比重達到了56.5%，為中國GDP貢獻了15%。由此可以看出，國民經濟的健康發展與穩定與煤炭工業的可持續發展息息相關[1]。在煤炭生產中，安全的生產環境是滿足巨大的煤炭需求、保障煤礦可持續發展的必要條件[2]。在煤礦安全事故中，最常見的就是頂板事故。據不完全統計，2013年至2017年，全國煤礦共發生2120起死亡事故，死亡4046人，其中，頂板死亡事故為821起，死亡人數達到1094人[3]。這意味著煤礦頂板事故防治將是礦井安全工作的重要內容。
懸頂面積超過2 m×5 m或幾倍的頂板被稱為大面積懸頂，當弧三角形懸板結構的最大彎矩處所受載荷小于該區域基本頂的破斷應力時，基本頂無法產生有規律的周期性垮落，就會形成綜采工作面端頭大面積懸頂[4]。產生這種現象的原因有二：一是由于礦井地質條件較好，開采面為砂巖、石灰巖或其它穩定的堅硬巖層，因而具有較高的強度、較好的穩定性和完整性；二是工作面兩巷的錨桿錨索聯合支護作用于兩端的三角形懸板上，使得工作面直接頂與老頂形成相對緊密的統一體，加大了端頭采空區側的懸頂面積[5]。當采空區頂板懸頂一定距離時，會出現大面積的坍塌，產生高壓颶風，突然涌向工作面，導致重大的安全事故，對礦井的安全生產產生極大的影響。此外，綜采工作面長期大面積懸頂，容易導致煤層上下隅角處瓦斯積聚，對煤礦的正常開采和安全生產構成極大的威脅[4]。因此，如何安全高效地破壞頂板整體穩定性，是目前亟需研究的課題。
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1.2 國內外研究現狀
1.2.1 堅硬頂板致裂的研究現狀
目前，礦山堅硬頂板處理方法主要有三種：爆破法、水壓致裂法和CO2致裂頂板法[6]。
爆破法分為采前爆破（深孔預爆破弱化頂板法）和采后爆破（循環淺孔放頂法、步距式深孔放頂法）[7]。具體做法為：在需要進行爆破的部位鉆孔，利用外部力量對其進行爆破。在爆炸時，由外力脈沖激發內能產生爆轟波和能量波，爆炸源周圍形成低壓區。由于負壓，氣體會快速地向四周擴散，并釋放出大量能量，從而在爆炸中心附近形成一個真空區，這一時期主要發生局部破壞。沖擊波過后，氣體返回到真空狀態，并在此過程中再次產生一個小沖擊波。在爆炸過程中，快速的化學反應會產生巨大的能量，孔內氣體瞬間變成高壓高溫氣體，圍巖溫度也隨之上升。巖體強度降低，高溫、高壓氣體以較高的功率將能量輸送到外部，巖體受氣體擠壓和撞擊而破裂[8]。
水壓致裂法主要有注水弱化法和定向水力壓裂法兩大類。注水弱化法有高壓致裂和靜壓致裂兩種。高壓致裂是指將高壓水流注入堅硬頂板的預留孔中，產生壓力梯度，促進水流在巖石中的滲透，增加與其他薄弱面的接觸機率，增大原有裂縫，破壞巖石整體結構使頂板開裂。此過程中水流的不斷變化使得巖體周圍的壓力分布也發生變化，破壞了巖石內部應力平衡，使巖體局部發生了塑性變形。靜壓致裂與高壓致裂的最大差別是注入巖體的水流壓力。靜壓致裂是通過增大巖石的含水率，降低巖石的強度和硬度而使得頂板提前塌落。水壓致裂法適用于堅硬致密、整體性好的頂板，因此該方法具有局限性[9]。
定向水力壓裂技術是在巖體內部產生預定的初始定向裂縫，其位置決定了裂隙的發展方向，短期內，通過高壓水預切割，將其粉碎，形成具有特定大小和形狀的塊狀或層狀。定向水力壓裂技術是通過破環巖體完整性，對堅硬頂板進行分層與切割，使高強度應力傳遞與釋放，并增加能量的傳遞（如衰減），有效控制了由沖擊地壓引起的應力狀態變化和能量狀況[10]。
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2 靜態膨脹劑破巖機理及力學分析
2.1 靜態膨脹劑組分及分類
國內外各種靜態膨脹劑（SCA）均以氧化鈣為主要成分，同時還含有少量的無機鹽化合物和有機復合添加劑。
1、靜態膨脹劑的成分
（1）膨脹性物質。膨脹性物質是主要的膨脹壓力源，其來源廣泛、無毒、安全、易買、便宜。目前廣泛使用的膨脹性物質是石灰石鍛燒后的氧化鈣。
（2）水合延緩劑。以二水石膏為例，其成分中SO3含量大于40%，能夠降低氧化鈣水化速率，避免噴孔。
（3）水硬性物質。在膨脹劑中加入水硬質物質，可以有效控制反應速率[49]。 （4）減水劑。因為理論上氧化鈣的水灰比為10：3，若不添加減水劑，則會造成流動性差，填充不便，故應加大用水量。靜態膨脹劑的膨脹率隨含水量的增大而降低，因此在滿足膨脹率的前提下，需要添加減水劑[50]。
2、靜態膨脹劑的種類
靜態膨脹劑按破裂時間長短可劃分為快速型膨脹劑（＜4 h）、普通型膨脹劑（4~30 h）和緩慢型膨脹劑（＞30 h）。 按靜態膨脹劑使用時環境溫度的不同，可劃分為春秋型膨脹劑（10~30 ℃）、夏季型膨脹劑（25~40 ℃）和冬季型膨脹劑（-5~15 ℃）。
根據膨脹劑的膨脹壓力來源，可以將其分為石灰系列、氧化鎂系列和鈣礬石系列。試驗表明，石灰系熟料產生的膨脹應力最大，是目前最常用的靜態膨脹劑；氧化鎂系列熟料的固相量增長速度最快，但其反應速度慢，不宜直接作為靜態膨脹劑，一般與石灰系靜態膨脹劑配合使用；鈣礬石熟料由于環境溫度的變化，膨脹特性最好，但固相增量最小，故常被應用于膨脹性混凝土中，很少直接作為靜態膨脹劑[51]。
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2.2 綜采端頭懸頂形成機理
已有研究顯示，采空區裂隙帶巖層可形成砌體梁力學模型和Kichhoff板力學模型。從覆巖“板”破裂規律來看，基本頂巖層首次破裂時，產生主要裂隙形狀為“O-X”，周期性斷層則會形成工作面中部的砌體梁構造和端頭區的弧三角形板塊構造[53]。
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如圖2-1中所示，弧三角形板塊結構中的L1為周期來壓步距，L2為弧三角形板塊的側向跨度，可認為L2與L1大致相同，X0為弧三角形板塊斷層，受基本頂的厚度與強度、工作面埋深和煤巖體的強度及采高等因素影響，基本處于彈塑性區邊界，取值范圍通常在4~8 m之間[9,54]。
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3 靜態膨脹劑的膨脹壓力測試 .................................. 19
3.1 靜態膨脹劑的性能參數測定 ......................... 19
3.2 實驗方案設計 ..................................... 21
3.3 靜態膨脹劑的力學性能測試與分析 ....................... 24
4 堅硬懸頂靜態膨脹致裂模擬分析 ........................... 35
4.1 方案設計 ...................... 35
4.2 構建FLAC3D模型.......................... 35
4.3 模擬結果分析 ............................. 36
5 靜態膨脹致裂工程實踐與應用 ................................. 43
5.1 礦井概況 .............................. 43
5.2 煤巖樣采集測試與巖性評價 ................... 45
5.3 施工方案 ................. 48
5 靜態膨脹致裂工程實踐與應用
5.1 礦井概況
白洞井為雙紀煤系，上部侏羅系大同組煤層已采完，目前批準開采煤層為石炭系5#煤層?，F場施工地點位于8119工作面，位于301盤區南部，工作面南部為實煤區，北部與301盤區西部8105、8107面相鄰，走向長度為1724 m，傾斜長度121 m，無沖擊地壓。煤層厚度為9.75 m，采高3.2 m，放煤厚度6.55 m，面積192040 m2，煤容重1.46 t/m3，可采系數為1，煤層變異系數為25.2%，屬于穩定煤層，工作面煤層總厚為3.65-11.81 m，煤層普遍有3-8層夾石，夾石厚一般為0.10-0.30 m，局部達到0.70 m，夾石斷斷續續，不穩定。煤種為氣煤，煤巖類型為暗淡型，工作面區域內基本無變化。目前，現場臨近工作面已經回采完畢，8119工作面也已經接近推進完畢，因此，將試驗點選擇F1斷層前100 m處，現場位置如圖5-1所示。
工程碩士論文參考
工作面偽頂零星分布，厚度為0.2~0.4 m，巖性為炭質泥巖，直接頂巖性以炭質泥巖和泥巖居多，薄層狀，水平層理，質軟，平均厚度4.63 m，巖層主要為單層結構，局部為雙層，三層結構，由東至西呈現結構復雜的特征，老頂巖性以砂巖為主，包括砂礫巖、中砂巖、粗砂巖等，由東至西粒級變粗，厚層狀，以泥質膠結為主，半堅硬，厚度13.11~14.45 m，底板巖性以泥巖為主，巖層柱狀圖如5-2所示。5119巷上覆采空區長度715 m、應力集中區長度433 m、實煤區680 m；2119巷上覆采空區長度287 m、應力集中區長度462 m、實煤區1051 m。8119工作面兩巷非應力集中區巷道規格及支護參數為：寬度4.2 m，高度3.5 m，頂錨桿排距900 mm，間距900 mm；巷道長度方向每1800 mm一排布置3根錨索，間距1300 mm，采用“錨桿＋金屬網＋錨索聯合支護”的形式，工作面上端頭采用1#端頭支架支護頂板，端頭支架中線與膠帶輸送機中線一致，工作面下端頭采用84#過渡支架配合單體柱支護。應力集中區支護區別，錨桿排距變為800 mm，錨索排距160 0mm。巷道頂板支護形式如圖5-3所示。
6 結論和展望
6.1 結論
針對目前綜采端頭堅硬頂板難以自由垮落問題，提出用靜態膨脹劑代替市面上常用的爆破強制放頂、水壓致裂弱化頂板和CO2致裂頂板等方法對懸頂進行膨脹致裂。通過理論分析、實驗室實驗、數值模擬和工程應用等手段進行堅硬懸頂SCA靜態膨脹致裂布孔設計及施工工藝研究，形成適用于大同礦區堅硬懸頂SCA靜態膨脹致裂的施工標準和技術規范。主要結論如下：
（1）從化學角度分析得出，靜態膨脹劑主要是由其主要成分氧化鈣與水發生水化反應發生體積膨脹而產生膨脹壓力。對于多孔排布方式，由公式推導得出在約束體的極限抗拉強度一定時，要得到更大的膨脹壓力可加大充填孔的直徑或縮短孔間距；自由面越多，膨脹致裂效果越明顯。
（2）設計出靜態膨脹相似模擬實驗平臺，通過對靜態膨脹劑膨脹壓力的影響因素進行實驗與分析得出，靜態膨脹劑所產生的膨脹壓力大小是隨著其主要成分氧化鈣的含量的增加而增大的，所以為了達到更好的破碎效果，選擇市面上氧化鈣含量最高的靜態膨脹劑最為合適。相同條件下，水灰比對于靜態膨脹劑的反應速率以及能夠產生的最大膨脹壓力都有較大的影響。水灰比越大，反應越快，產生的膨脹壓力越小。但是考慮到流動性問題，選擇水灰比為0.25~0.35之間是最合適的。水溫是影響靜態膨脹劑反應速率的主要因素，水溫升高，可以加快靜態膨脹劑中的氧化鈣與水的反應速度，從而快速產生膨脹壓力。但是考慮到水溫過高時會產生的噴孔現象，要根據實際情況選擇適合的水溫。靜態膨脹劑在不同的孔徑條件下會產生不同的膨脹壓力，它是隨孔徑的增加而增加的，所以孔徑越大，靜態膨脹劑能夠產生的膨脹壓力越大，所能達到的破碎效果越好。
參考文獻（略）