CN108547617A - 一种静力破岩柔性套筒装药法 - Google Patents

Abstract

一种静力破岩柔性套筒装药法，属于静态胀裂剂破岩装药法技术领域，可解决静态胀裂剂在煤矿井下实际破岩应用中遇到的有裂隙发育被破碎岩体漏浆导水问题，在钻孔内放置卷状的柔性套筒，打开柔性套筒的外露端头并把封孔器放入柔性套筒内，柔性套筒外露端、封孔器外露端与钻孔孔口齐平，当封孔器封孔后向柔性套筒内注入配制好的静态胀裂剂浆液，卷状柔性套筒在静态胀裂剂浆液推动作用下自动展开，柔性套筒径向与钻孔壁完全贴合，柔性套筒轴向向钻孔孔底方向延伸，直至柔性套筒卷轴端到达孔底且钻孔被静态胀裂剂浆液充满。本发明解决了静态胀裂剂实际破岩应用中遇到的有裂隙发育被破碎岩体漏浆导水问题，达到了防止裂隙漏浆导水的目的。

Description

一种静力破岩柔性套筒装药法

技术领域

本发明属于静态胀裂剂破岩装药法技术领域，具体涉及一种用于钻孔壁完整性差，防止钻孔壁裂隙漏浆导水的静力破岩柔性套筒装药法。

背景技术

静态胀裂剂破岩工艺是按设计要求在被破碎岩体上钻孔，并向孔内装填按最佳水灰比配制的静态胀裂剂浆液，其作用原理是静态胀裂剂的主要成分CaO与浆液中的水发生水化反应生成Ca(OH)₂，反应后体积增大约2～3倍，在钻孔内凝结形成具有膨胀压力的弹性柱体，弹性柱体体积膨胀产生的膨胀压力作用在钻孔壁上，使钻孔周围被破碎岩体径向受到压应力作用，切向受到拉应力作用，当切向拉伸应力超过被破碎岩体的抗拉强度时，被破碎岩体内产生裂纹进而导致破碎。由于静态胀裂破岩技术是一个缓慢的化学水化反应和能量积聚过程，整个破岩过程无振动、无飞石、无火焰，安全可靠且施工无需审批，逐渐成为煤矿井下传统炸药火工品的替代物。

煤矿井下有裂隙发育的被破碎岩体所需的破碎力不需要太大，而且高瓦斯矿井严格限制炸药等火工品的使用，在考虑节约成本和安全的情况下，不必要使用传统炸药等火工品，因此可选用静态胀裂剂静力破岩技术。在煤矿井下应用静态胀裂破岩技术虽然消除了传统炸药火工品破岩时伴随的振动、飞石、火焰等危险因素，但煤矿井下有些需要进行破碎的岩体受到了采掘扰动影响，岩体内部存在不同程度的裂隙，有些裂隙相互贯通并延伸到自由空间。当在受采掘扰动影响的岩体内应用静态胀裂剂静力破岩技术时，相互贯通并延伸到自由空间的裂隙形成了导浆导水通道，较大的导浆裂隙通道使浆液流入自由空间，不仅浪费材料，而且恶化工作空间；较小的导水裂隙通道使配制好浆液中的水分流失，浆液水灰比减小，即浆液不是按照实验得出的最佳水灰比反应，膨胀压力随水灰比的减小而减小，从而影响水化反应时间和实际破岩效果。

在公开文献中，针对在有导浆导水裂隙的岩体中应用静态胀裂剂破岩技术时，没有详细说明如何防止漏浆导水，对于煤矿井下在有裂隙发育的被破碎岩体使用静态胀裂剂静力破岩技术时，存在裂隙漏浆导水问题，不仅浪费材料，增加破岩成本，恶化工作环境，而且影响实际破岩效果，使静力破岩技术的使用范围受到一定限制，制约静力破岩技术的推广应用。

为了解决静态胀裂剂在煤矿井下实际破岩应用中遇到的有裂隙发育被破碎岩体漏浆导水问题，迫切需要寻求一种对于有裂隙发育的被破碎岩体防止裂隙漏浆导水的装药方法。

发明内容

本发明针对在有裂隙发育的被破碎岩体使用静态胀裂剂静力破岩技术时配制好的静态胀裂剂浆液发生裂隙漏浆导水的问题，提供一种应用于煤矿井下受采掘扰动存在相互贯通并延伸到自由空间的裂隙的被破碎岩体使用静态胀裂剂静力破岩技术的柔性套筒装药方法。

本发明采用如下技术方案：

一种静力破岩柔性套筒装药法，包括如下步骤：

第二步，制备PE材质的圆柱形的两端开口的透明平口柔性套筒，所述柔性套筒的厚度为0.3mm，长度l为（h+0.1）m，直径等于钻孔直径d；

第三步，折叠柔性套筒，将柔性套筒的侧壁沿着柔性套筒的轴线，对称向内折叠，其中折叠部分总长为πd－2d=(π－2)d≈1.14d，每侧折叠弧_CD=弧_EF=1.14d/2=0.57d，折叠线A₁C=A₁D=B₁E=B₁F=0.285d，在折叠状态下能够正好放入钻孔内，被静态胀裂剂浆液撑开时能够完全贴合钻孔壁；

第四步，以折叠后的柔性套筒的一端为卷轴，将柔性套筒卷成卷状；

第五步，将卷状的柔性套筒放入钻孔内，打开柔性套筒的外露端头并把封孔器放入柔性套筒内，柔性套筒外露端、封孔器外露端与钻孔孔口齐平；

第六步，按照水灰比为3:7的比例配制静态胀裂剂浆液并搅拌均匀，将注浆管路与封孔器连接，通过注浆管路向封孔器内注入配制好的静态胀裂剂浆液实现封孔，封孔后继续通过封孔器向柔性套筒内注浆装填配制好的静态胀裂剂浆液，在进入柔性套筒内浆液压力作用的推动下，钻孔内卷状的柔性套筒被充满逐渐打开，柔性套筒径向与钻孔壁完全贴合，柔性套筒轴向向钻孔孔底方向延伸，直至柔性套筒卷轴端到达孔底且钻孔被静态胀裂剂浆液充满；

第七步，当装填理论注浆量Q且注浆泵的注浆压力急剧增大达到4MPa以上时，停止注浆装填静态胀裂剂浆液，拆除与封孔器连接的注浆管路并用清水冲洗干净，防止管路被堵塞；理论注浆量Q等于钻孔体积，即Q=π•(d/2)²×h。

所述封孔器为注浆封孔器，由高压橡胶膨胀胶管、内置安全阀和快速连接管件组成，当注浆压力达到1MPa以上时，靠浆液压力将封孔器的胶管膨胀后封孔。

当静态胀裂剂浆液的注浆压力达到1MPa以上时，封孔器的胶管在浆液压力作用下膨胀并与钻孔壁严密贴合，实现封孔。

向柔性套筒内装填静态胀裂剂浆液过程是当放置在钻孔口柔性套筒内封孔器的胶管膨胀封孔后，封孔器的内置安全阀打开，静态胀裂剂浆液通过封孔器被注入到柔性套筒内。

破岩过程是钻孔柔性套筒内静态胀裂剂反应体积膨胀，产生膨胀压力并作用于孔壁，使孔壁岩体径向受到压应力作用，切向受到拉应力作用，当切向拉伸应力超过孔壁岩体的抗拉强度时，孔壁岩体内产生裂纹进而导致破碎。

本发明的有益效果如下：

1. 本发明解决了静态胀裂剂实际破岩应用中遇到的有裂隙发育被破碎岩体漏浆导水问题，达到了防止裂隙漏浆导水的目的，实现在有裂隙的岩体内应用静态胀裂剂破岩技术，增强了静态胀裂剂破岩技术的适用性，降低了对钻孔壁完整性的要求，破岩效果不受钻孔壁裂隙影响，促进了静态胀裂剂破岩技术的推广应用。

2. 装填在柔性套筒内的静态胀裂剂浆液水化反应固化形成弹性柱体并体积膨胀，柔性套筒随着静态胀裂剂弹性柱体体积的增大而增大，始终保证静态胀裂剂在柔性套筒内，即使钻孔壁有裂隙，也不会通过裂隙漏浆导水，既不浪费材料，也能使静态胀裂剂浆液按照实验得出的最佳水灰比反应，提供最大的膨胀压力，达到最好的破岩效果，最终使被破碎岩体在柔性套筒内静态胀裂剂的膨胀压力作用下破碎。

3. 本发明所使用的柔性套筒是用PE材料制作，具有良好的柔性和弹性，柔性套筒厚度0.03mm满足国家限塑令要求且在实际应用中可忽略不计。柔性套筒是圆柱形且其直径与钻孔直径相同，保证折叠状态下可正好放入钻孔内而被撑开后可紧密贴合钻孔壁，不留空隙。柔性套筒PE材料绝缘不产生静电，重量轻，抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应，制造成本低，防水，容易被塑造成形且耐用。当柔性套筒内静态胀裂剂浆液反应体积增大时，柔性套筒可随着静态胀裂剂体积的增大而增大，不会被撑破，早期保证没有固化的静态胀裂剂处于封闭的柔性套筒内，即使钻孔壁有裂隙也不会漏浆导水；后期当静态胀裂剂反应完全固化形成固态柱状体时，随着静态胀裂剂柱状体体积增大，柔性套筒可被撑大，不会制约静态胀裂剂产生膨胀压力，此时胀裂剂柱体已固化，即使柔性套筒被撑破也不会因裂隙存在而发生漏浆导水。柔性套筒两端开口，保证注浆装填配制好的胀裂剂浆液过程中，不会因为柔性套筒内部有气压存在而被撑破；柔性套筒设置成卷状放入钻孔内，可随着胀裂剂浆液被注入而在浆液的推动作用下自动沿钻孔轴向展开并朝孔底方向延伸。柔性套筒对于有裂隙的钻孔起到了一个内衬作用，防止胀裂剂浆液通过较大裂隙流入自由空间，浪费材料，增加破岩成本，恶化工作空间；也不会因为较小裂隙导水而降低胀裂剂浆液的水灰比，影响实际破岩效果。

附图说明

图1为本发明的柔性套筒结构示意图；

图2为本发明的柔性套筒断面及折叠方式示意图；

图3为本发明的柔性套筒卷状示意图；

图4为本发明的钻孔内放置卷状柔性套筒和封孔器示意图；

图5为本发明的通过封孔器向柔性套筒内注浆装填静态胀裂剂浆液示意图；

图6为本发明的钻孔内柔性套筒注浆装填满静态胀裂剂浆液示意图；

图7为本发明的钻孔柔性套筒内静态胀裂剂破岩效果示意图；

图8为本发明的实施例钻孔布置平面示意图；

图9为本发明的实施例钻孔布置剖面示意图；

其中：1-柔性套筒卷轴端头；2-柔性套筒外露端头；3-钻孔；4-孔底；5-卷状折叠柔性套筒；6-撑开柔性套筒；7-封孔器；8-注浆管路；9-孔口；10-胀裂剂浆液；11-胀裂破碎岩体；12-固化的胀裂剂柱体；13-锚索；14-锚杆；15-液压支架。

具体实施方式

结合实施例，进一步说明本发明。

某矿运用综采放顶煤工艺回采平均厚度为6.5m的15#煤层，工作面走向长度为1329m，倾向长度为180m，平均埋藏深度480m。15#煤层伪顶为较薄的炭质泥岩；直接顶为灰黑色泥岩，平均厚度为0.79m；老顶厚度较大，主要由深灰色的K2石灰岩构成，平均厚度为7.18m，单轴抗压强度为50MPa左右。工作面进风巷道和回风巷道掘进断面均为宽×高=4700mm×4500mm，采用“全锚索+锚网”支护形式，工作面端头弧形三角区采用单体液压支柱临时支护形式。综采工作面开采时逐步进入采空区的回采巷道，有多数锚索的锚具在服务期限内受动压及各种因素影响，难于退锚和拆除，仍然在起悬吊和加固作用，同时又处于采场顶板弧形三角块区域，因此巷道顶板不能随采面放顶而及时冒落，工作面端头巷道顶板退锚、剪网作业完成后，悬顶长度达到20m以上，形成工作面上、下端头后部较大范围的悬顶，造成安全生产隐患。

目前处理悬顶的主要方法有：水压致裂和预裂爆破。水压致裂对顶板的要求高、周期长，对含有裂隙的顶板处理效果较差，目前基本处于试验阶段。预裂爆破具有周期短、施工方便、可行性好、成本低、效果好等优点，是处理顶板悬顶最有效的方法，在国内外的工程应用中最为普遍。然而高瓦斯矿井采空区附近禁用火工品破岩，在高瓦斯矿井中采用预裂爆破方法处理顶板悬顶问题受到限制。静态胀裂剂静力破岩技术具有无震动、无粉尘、无毒气、无飞石、无火焰及安全性高等优点，是高瓦斯矿井处理坚硬顶板的最佳选择。

装填静态胀裂剂的钻孔(图8中黑色实心圆)孔径d为40mm，孔距和排距L为800mm，钻孔深度h为5m，钻孔倾向采空区并与顶板夹角α为45°。钻孔按设计要求施工好后，使用电子钻孔窥视仪窥视成像，根据窥视结果及窥视仪生成的钻孔柱状图可以观察到钻孔壁裂隙发育多且明显，局部较破碎。按照本发明一种静力破岩柔性套筒装药法加工的柔性套筒直径为40mm，柔性套筒长度为(5+0.1)m=5.1m，以柔性套筒一端为卷轴把柔性套筒卷成卷状并放入钻孔内，打开柔性套筒外露端并放入封孔器实现封孔。封孔后向柔性套筒内注浆装填按最佳水灰比3:7配制好的静态胀裂剂浆液，当向每个钻孔柔性套筒内注浆装填注浆量Q=π•(d/2)²×h=3.14×(0.04/2)²×5=6.28升，注浆压力急剧增大达到4MPa时，停止注浆装填静态胀裂剂浆液并拆除清洗注浆管路，进行下一个钻孔封孔、注浆装填静态胀裂剂浆液，直至一个循环所有钻孔都装填结束，人员撤离静力破岩区域。

当注浆装填静态胀裂剂浆液一个循环作业完成约2小时后，顶板岩体内发出明显的胀裂声。当工作面机头向前推进3.2m后，采空区巷道顶煤开始逐步冒落，老顶石灰岩逐步开始塌落；当工作面机头向前推进9.6m后，静力破岩区域已完全塌落。该工作面顶板利用静态破碎方法将悬顶距离减少了7.2m，有效地改善了工作面的安全生产环境，柔性套筒内的静态胀裂剂浆液没有通过钻孔壁裂隙扩散到自由空间，作业环境未受静态胀裂剂浆液污染，取得了较好的破岩效果。

Claims (2)

1.一种静力破岩柔性套筒装药法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，根据被破碎岩体的岩性、完整程度及破岩要求设计破岩方案，破岩方案中的钻 孔直径d=30~50mm，钻孔间排距L=2a，，式中a为单个钻孔在静态胀裂 剂膨胀压力作用下产生的裂纹长度，σ_c为被破碎岩体的单轴抗压强度，q_max为按照最佳水灰 比3:7配制的静态胀裂剂浆液反应所能产生的最大膨胀压力，即80MP，钻孔深度h等于需要 破岩范围的深度，钻孔角度α根据破岩目的确定，当被破碎岩体悬空且需要破碎后的岩块垮 落时，取α=45°的仰斜孔，当仅需切割或松动地面的被破碎岩体时，取α=90°的垂直孔，按照 设计要求的钻孔位置、钻孔直径d、钻孔深度h、钻孔角度α及钻孔间排距L施工装填静态胀裂 剂的钻孔；

第二步，制备PE材质的圆柱形的两端开口的透明平口柔性套筒，所述柔性套筒的厚度为0.3mm，长度l为（h+0.1）m，直径等于钻孔直径d；

第三步，折叠柔性套筒，将柔性套筒的侧壁沿着柔性套筒的轴线，对称向内折叠，其中折叠部分总长为πd－2d=(π－2)d≈1.14d，每侧折叠弧_CD=弧_EF=1.14d/2=0.57d，折叠线A₁C=A₁D=B₁E=B₁F=0.285d；

第四步，以折叠后的柔性套筒的一端为卷轴，将柔性套筒卷成卷状；

第五步，将卷状的柔性套筒放入钻孔内，打开柔性套筒的外露端头并把封孔器放入柔性套筒内，柔性套筒外露端、封孔器外露端与钻孔孔口齐平；

第六步，按照水灰比为3:7的比例配制静态胀裂剂浆液并搅拌均匀，将注浆管路与封孔器连接，通过注浆管路向封孔器内注入配制好的静态胀裂剂浆液实现封孔，封孔后继续通过封孔器向柔性套筒内注浆装填配制好的静态胀裂剂浆液，在进入柔性套筒内浆液压力作用的推动下，钻孔内卷状的柔性套筒被充满逐渐打开，柔性套筒径向与钻孔壁完全贴合，柔性套筒轴向向钻孔孔底方向延伸，直至柔性套筒卷轴端到达孔底且钻孔被静态胀裂剂浆液充满；

第七步，当装填理论注浆量Q且注浆泵的注浆压力急剧增大达到4MPa以上时，停止注浆装填静态胀裂剂浆液，拆除与封孔器连接的注浆管路并用清水冲洗干净，防止管路被堵塞；理论注浆量Q等于钻孔体积，即Q=π•(d/2)²×h。

2.根据权利要求1所述的一种静力破岩柔性套筒装药法，其特征在于：所述封孔器为注浆封孔器，由高压橡胶膨胀胶管、内置安全阀和快速连接管件组成，当注浆压力达到1MPa以上时，靠浆液压力将封孔器的胶管膨胀后封孔。