静态膨胀生裂增透突出煤层的机理及防突应用研究

doi:10.11799/ce201503029

Abstract

Abstract: Aimed at the gas drainage problems of the low permeability coal seam, proposed the method of the static expansing and cracking technology to increase the outburst coal seam permeability coefficient. According to the static expansion cracking mechanism: the expanded rock will experience three processes of the crack initiation, crack dissemination and crack extend through. Obtained by testing the expansion force: under the mine working conditions, the expansion force of the different static expand agent can all reach up to 30-50Mpa, which produce a compressive stress and tensile stress are enough to split the outburst coal seam and its roof and floor rock mass. According to the experimental research of K6 coal seam and its roof and floor in LongJiaShan mine, demonstrates the static expansion agent can crack the the mine rocks such as coal, limestone. By expansing and cracking the outburst coal seam and its roof and floor rock mass, the static expansing and cracking technology can significantly improve the coal seam permeability coefficient to prevent and control the gas outburst in the work place such as the work face of uncovering coal seam.

Key words: Permeability coefficient, Expansive force, Mechanical properties, Expansion cracking, Coal and gas outburst

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TD713

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静态膨胀生裂增透突出煤层的机理及防突应用研究
谢雄刚1,2,3，任建伟1，朱云仓1
(1.贵州大学矿业学院，贵州贵阳 550025；2. 贵州大学复杂地质矿山开采安全技术工程中心，贵州贵阳，550025；3. 贵州大学贵州省优势矿产资源高效利用实验室，贵州贵阳，550025）
摘要：针对我国低透气性突出煤层瓦斯抽放难题，提出了静态膨胀生裂技术增加突出煤层透气性系数的方法。根据静态膨胀剂膨胀生裂机理：被膨胀岩体将经历裂隙萌生、裂隙传播和裂隙扩展贯通三个过程。通过测试膨胀力得出：煤矿井下作业条件下，不同类型静态膨胀剂均能产生高达30-50Mpa的膨胀力，其产生的压应力和拉引力足以裂开突出煤层及其顶底板岩体。根据对龙家山煤矿K6煤层及顶底板岩体的实验研究，论证了静态膨胀剂均能膨胀裂开煤、灰岩等矿山岩体。通过膨胀裂开突出煤层及其顶底板岩体，静态膨胀生裂技术可以显著提高石门揭煤工作面等作业地点煤层的透气性系数而达到防治突出的效果。
关键词：透气性系数；膨胀力；力学性能；膨胀生裂；煤与瓦斯突出
Mechanism of increasing the permeability of outburst coal by static expanding and cracking and Research of preventing the outburst
Xie Xiong-gang1,2,3,Renjian-wei1,Zhu Yun-cang1
(1. Mining college,Guizhou University,Guiyang 550025,China; 2. Engineering Center for Safe Mining Technology under Complex Geologic Conditions,Guizhou University,Guizhou,Guiyang 550025; 3.Guizhou Engineering Lab of Mineral Resources,Guizhou University,Guizhou,Guiyang 550025)
Abstract: Aimed at the gas drainage problems of the low permeability coal seam,proposed the method of the static expansing and cracking technology to increase the outburst coal seam permeability coefficient. According to the static expansion cracking mechanism: the expanded rock will experience three processes of the crack initiation,crack dissemination and crack extend through. Obtained by testing the expansion force: under the mine working conditions,the expansion force of the different static expand agent can all reach up to 30-50Mpa,which produce a compressive stress and tensile stress are enough to split the outburst coal seam and its roof and floor rock mass. According to the experimental research of K6 coal seam and its roof and floor in LongJiaShan mine,demonstrates the static expansion agent can crack the the mine rocks such as coal,limestone. By expansing and cracking the outburst coal seam and its roof and floor rock mass,the static expansing and cracking technology can significantly improve the coal seam permeability coefficient to prevent and control the gas outburst in the work place such as the work face of uncovering coal seam.
Key words: Permeability coefficient; Expansive force; Mechanical properties; Expansion cracking; Coal and gas outburst

1 引言
根据《防治煤与瓦斯突出规定》，我国目前主要的防突措施为预抽煤层瓦斯。预抽煤层瓦斯的抽采效果主要取决于该煤层透气性系数[1-2]，而我国70%以上的煤系地层为低透性煤层，其瓦斯渗透率一般为0.1-10md，多数矿井属于难抽矿井。因此，提高煤层透气性系数具有重大的现实意义。
利用低透气性煤层增透技术来防治矿井瓦斯灾害一直是我国研究前沿。在增加煤层透气性方面，目前国内外技术措施主要有两大类：层内措施和层外措施。在层内措施中，我国主要实验了水力压裂法、深孔预裂爆破法等。水力压裂适用于相对坚硬的裂缝性煤储层。深孔预裂爆破所产
生的很大部分能量被用于煤体的粉碎上，少部分用来产生裂隙或者扩展原有的裂隙。在层外措施中，我国对开采上、下保护层时瓦斯压力变化和保护范围与效果进行了大量研究，并取得了比较突出的成果和应用，但仍需结合预抽煤层瓦斯方法。因此，必须寻找更加有效的提高煤层透气性系数技术。
石材加工和道路市政工程都成熟应用了静态膨胀剂[3-8]，为进行静态膨胀生裂增加我国突出煤层透气性系数提供了参考。本文将研究利用静态膨胀剂膨胀生裂机理，增加我国突出煤层透气性系数从而防治突出的新技术。
2 静态膨胀剂应用实践
2.1 国内外应用现状
日本于二十世纪六十年代末期，首创了静态膨胀法。近年来，静态膨胀法已经发展成为一种新型“爆破”施工技术，静态膨胀剂现已广泛用于混凝土或钢筋混凝土拆除、石方膨胀开挖掘进、石材切割、工程爆破及岩石破碎工程[3-8]。
静态膨胀剂的主要成分氧化钙价格便宜，材料来源丰富；膨胀过程安全，不存在爆破震动、空气冲击波等危害，避免了诱导突出；钻孔中注膨胀剂的施工工艺操作简单且方便；矿井瓦斯抽放钻孔设备可以施工所需的自由孔和膨胀孔。
2.2 静态膨胀剂膨胀性能
影响静态膨胀剂膨胀性能的因素很多[6-7]，结合我国煤矿井下作业环境，不同类型的膨胀剂[6-7]产生的膨胀力如图1所示。从图1可以看出：随着膨胀剂水合膨胀反应发展，四种类型的膨胀剂产生的膨胀力先是显著增大，然后逐步稳定在一个较大的膨胀力值（30-50Mpa）。

图1 膨胀剂类型与膨胀力
因此，作者经过长期调研、查阅文献及前期实验，确定静态膨胀剂在理论和技术上均能裂开我国煤矿突出煤层及顶底板从而显著增加其透气性系数达到防治突出的效果。
3 静态膨胀生裂增透突出煤层机理
3.1 静态膨胀生裂过程
静态膨胀剂由膨胀性物质、水硬性物质等组成，以浆体或剂状注入岩体中，与水发生水合反应，生成新的固体物质，产生体积膨胀，以放射状向周围扩展。
随着静态膨胀剂的反应，其产生的膨胀压由0Mpa增加到30-50Mpa时，在岩体中产生径向压应力和切向拉应力，在应力值大于试件的抗拉强度后，试件裂纹萌生。随着静态膨胀剂继续反应、体积逐渐增大及裂纹继续扩展，被膨胀岩体将经历裂隙萌生、裂隙传播和裂隙扩展贯通三个过程。其膨胀机理完全不同于爆破作业的破碎机理，膨胀剂在岩体钻孔中的膨胀机理详见图2和图3。

图2 膨胀剂裂开钻孔周围岩体的机理

图3 裂隙形成及扩展过程示意图
3.2 煤层透气性与裂隙
煤层透气性大小主要取决于煤层内裂隙的大小及分布[2]。包括由于煤体内部作用形成的裂隙，也包括由于煤体外部作用形成的裂隙。
3.3 膨胀生裂技术防突作用机理
矿井煤层及顶底板岩体被静态膨胀剂膨胀生裂后，岩体裂隙、透气性能、瓦斯含量及瓦斯压力等参数均会发生显著变化。其防突机理可用图4表示。

图4 膨胀生裂技术防突机理图
4 静态膨胀剂裂开岩体实验
湖南省红卫煤业公司龙家山煤矿-400m水平运输大巷2号石门将从煤层底板揭露K6突出煤层。K6突出煤层厚约2.0米，煤层倾角30°，底板为厚约18.7m的灰白色细砂岩，顶板为厚约38m的灰岩。巷道净宽2400mm，巷道净高2600mm。根据我国《防治煤与瓦斯突出规定》，该石门揭煤工作面瓦斯抽放钻孔布置如图5所示。

A-A剖面图
图5 龙家山2号石门揭煤工作面钻孔布置图
本文通过该工作面煤层及煤层顶底板岩体的力学实验和膨胀裂开实验，研究静态膨胀剂增透突出煤层的机理及防突作用。
实验设备采用中国科学院武汉岩土所生产的RMT-150型三轴岩石力学试验机（如图6所示），利用主窗体的菜单，设置相关参数，然后进行单轴压缩试验。
图6 RMT-150岩石力学试验系统
4.1 突出煤层力学实验
考虑到煤矿井下大尺寸煤体的取样难度，本文采用K6型煤实验，然后根据文献10：相同载荷条件下，原煤煤样的抗压强度是型煤煤样的1.4～2.5倍，推算K6原煤力学性能。
取自龙家山煤矿2号石门附近2164采煤工作面K6煤样，用铁锤等坚硬敲压工具将煤样碾碎成粒径很小的煤粉，设定15MPa、25MPa、35MPa和42MPa四个模压，通过10吨万能液压试验机和压头分别将装入模型内的煤粉压制成直径×高=50×100mm的标准煤芯试件（图7所示）。通过实验和计算得到K6煤层力学参数见表1。

图7 K6煤层成型煤芯试件
因此，静态膨胀剂膨胀产生的压应力和拉引力均大于突出煤层的力学性能[9-11]，其足以膨胀裂开K6突出煤层。
4.2 K6煤层顶底板实验测试
4.2.1 顶底板岩体力学实验
取样2号石门揭煤工作面顶底板大块度岩石进行力学实验和膨胀裂开实验。
首先采集该工作面K6煤层顶底板岩样，然后制成直径×高=50×100mm的标准试件（图8所示）进行力学试验。通过实验和计算得到该顶底板岩样力学参数见表1。

图8 灰岩岩样标准试件
从上述实验看出：图1所列四种静态膨胀剂所产生的膨胀力均大于该工作面K6煤层顶底板的抗压强度和抗拉强度，理论上静态膨胀剂能膨胀裂开K6煤层顶底板岩体。
表1 各岩石力学参数
岩层抗压强度/MPa 弹性模量/GPa 泊松比抗拉强度/MPa
6#煤层 13 4.0 0.25 1.04
底板砂岩 30 19.6 0.2 3.6
顶板灰岩 33 21.6 0.2 4.0
4.2.2 顶底板岩体膨胀裂开测试
将大尺寸（长×宽=1000×800mm）顶底板岩体（图9a），按照静态膨胀剂操作说明书，将静态膨胀剂慢慢倒入已经配兑好的水中，进行药剂搅拌，然后将搅拌好的流质糊状或胶泥状物质迅速灌入直径为45mm、孔距为400mm的岩体钻孔中，岩体破裂过程如图9所示。

（a）

（b）

（c）

（d）
图9 大尺寸顶底板灰岩膨胀开裂过程
从图9可以看出：随着钻孔中静态膨胀剂水化反应，其产生的膨胀力逐步增大，在岩体中产生径向压应力和切向拉应力，当应力值大于其抗拉强度后，岩体裂纹萌生。随着裂纹继续扩展，被裂开的岩体经历裂隙出现、裂隙传播和裂隙扩大贯通三个过程。现场测试论证了静态膨胀剂能膨胀裂开灰岩、砂岩等煤层顶底板岩体。
5 防突应用研究
根据静态膨胀生裂增透技术特点，需在岩体膨胀方向布置自由面，给膨胀剂提供膨胀所需的空间，有利于裂隙形成，保证被膨胀岩体完成裂隙形成、裂隙传播和裂隙扩大贯通三个过程（图10）。

图10 膨胀剂膨胀致裂与自由面关系图
矿井采用预抽煤层瓦斯防突措施时，不装膨胀剂的钻孔提供了所需自由面（图11），保证了被膨胀岩体膨胀所需的空间。

○—提供自由面的空孔；●—注膨胀剂的钻孔
图11 掘进工作面钻孔布置图
因此，矿井石门揭煤工作面等作业地点如图11所示注入静态膨胀剂和留设空孔，通过膨胀裂开突出煤层及其顶底板岩体，可以显著提高石门揭煤工作面等作业地点煤层的透气性系数而达到防治突出的效果。
6 结论
（1）静态膨胀剂与水发生水合反应，在岩体中产生逐步增大的膨胀压及径向压应力和切向拉应力。在应力值大于岩体的抗拉强度后，岩体将经历裂隙出现、裂隙传播和裂隙扩展贯通三个过程。
（2）在煤矿井下作业环境下，不同类型的静态膨胀剂产生的膨胀力均能达到30-50Mpa。根据对龙家山煤矿K6煤层及顶底板岩体的实验研究，论证了静态膨胀剂均能膨胀裂开煤、灰岩等矿山岩石。
（3）通过膨胀裂开突出煤层及顶底板岩体，静态膨胀生裂技术可以显著提高石门揭煤工作面等作业地点煤层的透气性系数而达到防治突出的效果。
参考文献
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Mechanism of increasing the permeability of outburst coal by static expanding and cracking and Research of preventing the outburst

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