本文是一篇工程硕士论文，笔者针对目前综采端头坚硬顶板难以自由垮落问题，提出用静态膨胀剂代替市面上常用的爆破强制放顶、水压致裂弱化顶板和CO2致裂顶板等方法对悬顶进行膨胀致裂。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
煤炭资源是保障我国能源供应的基础能源，人类对能源的需求与日俱增。根据中国能源报调查显示，到2020年，煤炭占中国能源消耗总量的比重达到了56.5%，为中国GDP贡献了15%。由此可以看出，国民经济的健康发展与稳定与煤炭工业的可持续发展息息相关[1]。在煤炭生产中，安全的生产环境是满足巨大的煤炭需求、保障煤矿可持续发展的必要条件[2]。在煤矿安全事故中，最常见的就是顶板事故。据不完全统计，2013年至2017年，全国煤矿共发生2120起死亡事故，死亡4046人，其中，顶板死亡事故为821起，死亡人数达到1094人[3]。这意味着煤矿顶板事故防治将是矿井安全工作的重要内容。
悬顶面积超过2 m×5 m或几倍的顶板被称为大面积悬顶，当弧三角形悬板结构的最大弯矩处所受载荷小于该区域基本顶的破断应力时，基本顶无法产生有规律的周期性垮落，就会形成综采工作面端头大面积悬顶[4]。产生这种现象的原因有二：一是由于矿井地质条件较好，开采面为砂岩、石灰岩或其它稳定的坚硬岩层，因而具有较高的强度、较好的稳定性和完整性；二是工作面两巷的锚杆锚索联合支护作用于两端的三角形悬板上，使得工作面直接顶与老顶形成相对紧密的统一体，加大了端头采空区侧的悬顶面积[5]。当采空区顶板悬顶一定距离时，会出现大面积的坍塌，产生高压飓风，突然涌向工作面，导致重大的安全事故，对矿井的安全生产产生极大的影响。此外，综采工作面长期大面积悬顶，容易导致煤层上下隅角处瓦斯积聚，对煤矿的正常开采和安全生产构成极大的威胁[4]。因此，如何安全高效地破坏顶板整体稳定性，是目前亟需研究的课题。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 坚硬顶板致裂的研究现状
目前，矿山坚硬顶板处理方法主要有三种：爆破法、水压致裂法和CO2致裂顶板法[6]。
爆破法分为采前爆破（深孔预爆破弱化顶板法）和采后爆破（循环浅孔放顶法、步距式深孔放顶法）[7]。具体做法为：在需要进行爆破的部位钻孔，利用外部力量对其进行爆破。在爆炸时，由外力脉冲激发内能产生爆轰波和能量波，爆炸源周围形成低压区。由于负压，气体会快速地向四周扩散，并释放出大量能量，从而在爆炸中心附近形成一个真空区，这一时期主要发生局部破坏。冲击波过后，气体返回到真空状态，并在此过程中再次产生一个小冲击波。在爆炸过程中，快速的化学反应会产生巨大的能量，孔内气体瞬间变成高压高温气体，围岩温度也随之上升。岩体强度降低，高温、高压气体以较高的功率将能量输送到外部，岩体受气体挤压和撞击而破裂[8]。
水压致裂法主要有注水弱化法和定向水力压裂法两大类。注水弱化法有高压致裂和静压致裂两种。高压致裂是指将高压水流注入坚硬顶板的预留孔中，产生压力梯度，促进水流在岩石中的渗透，增加与其他薄弱面的接触机率，增大原有裂缝，破坏岩石整体结构使顶板开裂。此过程中水流的不断变化使得岩体周围的压力分布也发生变化，破坏了岩石内部应力平衡，使岩体局部发生了塑性变形。静压致裂与高压致裂的最大差别是注入岩体的水流压力。静压致裂是通过增大岩石的含水率，降低岩石的强度和硬度而使得顶板提前塌落。水压致裂法适用于坚硬致密、整体性好的顶板，因此该方法具有局限性[9]。
定向水力压裂技术是在岩体内部产生预定的初始定向裂缝，其位置决定了裂隙的发展方向，短期内，通过高压水预切割，将其粉碎，形成具有特定大小和形状的块状或层状。定向水力压裂技术是通过破环岩体完整性，对坚硬顶板进行分层与切割，使高强度应力传递与释放，并增加能量的传递（如衰减），有效控制了由冲击地压引起的应力状态变化和能量状况[10]。
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2 静态膨胀剂破岩机理及力学分析
2.1 静态膨胀剂组分及分类
国内外各种静态膨胀剂（SCA）均以氧化钙为主要成分，同时还含有少量的无机盐化合物和有机复合添加剂。
1、静态膨胀剂的成分
（1）膨胀性物质。膨胀性物质是主要的膨胀压力源，其来源广泛、无毒、安全、易买、便宜。目前广泛使用的膨胀性物质是石灰石锻烧后的氧化钙。
（2）水合延缓剂。以二水石膏为例，其成分中SO3含量大于40%，能够降低氧化钙水化速率，避免喷孔。
（3）水硬性物质。在膨胀剂中加入水硬质物质，可以有效控制反应速率[49]。 （4）减水剂。因为理论上氧化钙的水灰比为10：3，若不添加减水剂，则会造成流动性差，填充不便，故应加大用水量。静态膨胀剂的膨胀率随含水量的增大而降低，因此在满足膨胀率的前提下，需要添加减水剂[50]。
2、静态膨胀剂的种类
静态膨胀剂按破裂时间长短可划分为快速型膨胀剂（＜4 h）、普通型膨胀剂（4~30 h）和缓慢型膨胀剂（＞30 h）。 按静态膨胀剂使用时环境温度的不同，可划分为春秋型膨胀剂（10~30 ℃）、夏季型膨胀剂（25~40 ℃）和冬季型膨胀剂（-5~15 ℃）。
根据膨胀剂的膨胀压力来源，可以将其分为石灰系列、氧化镁系列和钙矾石系列。试验表明，石灰系熟料产生的膨胀应力最大，是目前最常用的静态膨胀剂；氧化镁系列熟料的固相量增长速度最快，但其反应速度慢，不宜直接作为静态膨胀剂，一般与石灰系静态膨胀剂配合使用；钙矾石熟料由于环境温度的变化，膨胀特性最好，但固相增量最小，故常被应用于膨胀性混凝土中，很少直接作为静态膨胀剂[51]。
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2.2 综采端头悬顶形成机理
已有研究显示，采空区裂隙带岩层可形成砌体梁力学模型和Kichhoff板力学模型。从覆岩“板”破裂规律来看，基本顶岩层首次破裂时，产生主要裂隙形状为“O-X”，周期性断层则会形成工作面中部的砌体梁构造和端头区的弧三角形板块构造[53]。
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如图2-1中所示，弧三角形板块结构中的L1为周期来压步距，L2为弧三角形板块的侧向跨度，可认为L2与L1大致相同，X0为弧三角形板块断层，受基本顶的厚度与强度、工作面埋深和煤岩体的强度及采高等因素影响，基本处于弹塑性区边界，取值范围通常在4~8 m之间[9,54]。
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3 静态膨胀剂的膨胀压力测试 .................................. 19
3.1 静态膨胀剂的性能参数测定 ......................... 19
3.2 实验方案设计 ..................................... 21
3.3 静态膨胀剂的力学性能测试与分析 ....................... 24
4 坚硬悬顶静态膨胀致裂模拟分析 ........................... 35
4.1 方案设计 ...................... 35
4.2 构建FLAC3D模型.......................... 35
4.3 模拟结果分析 ............................. 36
5 静态膨胀致裂工程实践与应用 ................................. 43
5.1 矿井概况 .............................. 43
5.2 煤岩样采集测试与岩性评价 ................... 45
5.3 施工方案 ................. 48
5 静态膨胀致裂工程实践与应用
5.1 矿井概况
白洞井为双纪煤系，上部侏罗系大同组煤层已采完，目前批准开采煤层为石炭系5#煤层。现场施工地点位于8119工作面，位于301盘区南部，工作面南部为实煤区，北部与301盘区西部8105、8107面相邻，走向长度为1724 m，倾斜长度121 m，无冲击地压。煤层厚度为9.75 m，采高3.2 m，放煤厚度6.55 m，面积192040 m2，煤容重1.46 t/m3，可采系数为1，煤层变异系数为25.2%，属于稳定煤层，工作面煤层总厚为3.65-11.81 m，煤层普遍有3-8层夹石，夹石厚一般为0.10-0.30 m，局部达到0.70 m，夹石断断续续，不稳定。煤种为气煤，煤岩类型为暗淡型，工作面区域内基本无变化。目前，现场临近工作面已经回采完毕，8119工作面也已经接近推进完毕，因此，将试验点选择F1断层前100 m处，现场位置如图5-1所示。
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工作面伪顶零星分布，厚度为0.2~0.4 m，岩性为炭质泥岩，直接顶岩性以炭质泥岩和泥岩居多，薄层状，水平层理，质软，平均厚度4.63 m，岩层主要为单层结构，局部为双层，三层结构，由东至西呈现结构复杂的特征，老顶岩性以砂岩为主，包括砂砾岩、中砂岩、粗砂岩等，由东至西粒级变粗，厚层状，以泥质胶结为主，半坚硬，厚度13.11~14.45 m，底板岩性以泥岩为主，岩层柱状图如5-2所示。5119巷上覆采空区长度715 m、应力集中区长度433 m、实煤区680 m；2119巷上覆采空区长度287 m、应力集中区长度462 m、实煤区1051 m。8119工作面两巷非应力集中区巷道规格及支护参数为：宽度4.2 m，高度3.5 m，顶锚杆排距900 mm，间距900 mm；巷道长度方向每1800 mm一排布置3根锚索，间距1300 mm，采用“锚杆＋金属网＋锚索联合支护”的形式，工作面上端头采用1#端头支架支护顶板，端头支架中线与胶带输送机中线一致，工作面下端头采用84#过渡支架配合单体柱支护。应力集中区支护区别，锚杆排距变为800 mm，锚索排距160 0mm。巷道顶板支护形式如图5-3所示。
6 结论和展望
6.1 结论
针对目前综采端头坚硬顶板难以自由垮落问题，提出用静态膨胀剂代替市面上常用的爆破强制放顶、水压致裂弱化顶板和CO2致裂顶板等方法对悬顶进行膨胀致裂。通过理论分析、实验室实验、数值模拟和工程应用等手段进行坚硬悬顶SCA静态膨胀致裂布孔设计及施工工艺研究，形成适用于大同矿区坚硬悬顶SCA静态膨胀致裂的施工标准和技术规范。主要结论如下：
（1）从化学角度分析得出，静态膨胀剂主要是由其主要成分氧化钙与水发生水化反应发生体积膨胀而产生膨胀压力。对于多孔排布方式，由公式推导得出在约束体的极限抗拉强度一定时，要得到更大的膨胀压力可加大充填孔的直径或缩短孔间距；自由面越多，膨胀致裂效果越明显。
（2）设计出静态膨胀相似模拟实验平台，通过对静态膨胀剂膨胀压力的影响因素进行实验与分析得出，静态膨胀剂所产生的膨胀压力大小是随着其主要成分氧化钙的含量的增加而增大的，所以为了达到更好的破碎效果，选择市面上氧化钙含量最高的静态膨胀剂最为合适。相同条件下，水灰比对于静态膨胀剂的反应速率以及能够产生的最大膨胀压力都有较大的影响。水灰比越大，反应越快，产生的膨胀压力越小。但是考虑到流动性问题，选择水灰比为0.25~0.35之间是最合适的。水温是影响静态膨胀剂反应速率的主要因素，水温升高，可以加快静态膨胀剂中的氧化钙与水的反应速度，从而快速产生膨胀压力。但是考虑到水温过高时会产生的喷孔现象，要根据实际情况选择适合的水温。静态膨胀剂在不同的孔径条件下会产生不同的膨胀压力，它是随孔径的增加而增加的，所以孔径越大，静态膨胀剂能够产生的膨胀压力越大，所能达到的破碎效果越好。
参考文献（略）