煤岩静态破碎剂合理组分及配比实验研究*

切顶卸压技术是防止冲击地压灾害有效途径之一，预裂爆破是卸压工程中常见方法，但在高瓦斯等特殊环境中，传统爆破方法受到严格限制。煤岩静态破碎剂是一种利用自身体积膨胀使岩石、煤等脆性材料破碎胀裂的粉末状工程材料。它具有无火花、无污染、可控性强等特点，针对高瓦斯、特厚坚硬悬顶等特殊环境，煤岩静态破碎技术在精确切顶等方面具有较大应用前景[1-7]。副田孝一等通过对静态破碎剂水化过程Ca(OH)2生成量及分子间空隙的变化研究，得出膨胀压的产生是水化反应中固体体积的增大以及孔隙率的变化所致[8,9]。汪智勇等通过对不同相体系静态破碎剂样品膨胀压等性能研究发现，以硅相等相为辅助相时，随着辅助相含量的增加，凝结时间延长，膨胀压减小[10,11]。郭瑞平等采用宏观与微观相结合的方法[12]，发现水泥中的SiO2和CaO在水化过程中，产生了具有强度和胶结性的结晶水化产物，加固了料浆胚体结构，提高了破碎剂装孔后的稳定性。

目前市面所售静态破碎剂成品由于受到专利保护，其组分及配比不明确，且无法对破碎剂反应时间及膨胀力进行调控，限制了静态破碎技术在采矿工程中的运用与推广，究竟怎样的静态破碎剂组分和配比才能满足切顶卸压技术要求还有待进一步研究。

通过分析破碎剂各不同组分对破碎剂膨胀力的影响和不同组分破碎剂水化反应过程膨胀力变化规律，得出了合理的煤岩静态破碎剂组分和配比。最后通过混凝土试块胀裂实验对破碎剂胀裂和定向切割能力进行了验证，为进一步研究坚硬顶板精确切顶卸压，提供了一种新的工程材料。

1　静态破碎剂破岩机理

静态破碎剂(简称SCA)是利用自身体积膨胀产生膨胀力，作用在脆性材料的孔壁上，当膨胀压力增加到一定值后，钻孔周围形成损伤区[13]，如图1，随着水化反应的进行，膨胀压力逐渐增大，当膨胀压力达到煤岩的抗拉强度时就会发生开裂，如图2所示。采矿工程中所遇到的岩石抗拉强度一般不超过10 MPa(砂岩为2～6 MPa)，同时，煤岩形成过程中受地质作用的影响，内部存在一些微小内生裂隙，为裂缝进一步扩展和煤岩破裂创造了有利条件。

图 1　钻孔周围的破损区和弹性区 Fig. 1　Damage zone and elastic zone

图 2　顶板岩层的剪切开裂 Fig. 2　Shear cracking of roof strata

2　煤岩静态破碎剂组分

从现有研究来看[14,15]，破碎剂主要由膨胀性物质、水硬性物质和外加剂组成。CaO来源丰富，价格低廉，膨胀性好，故膨胀性物质采用CaO作为研究对象。水泥和钠基膨润土水化反应产生的结晶产物加固了料浆胚体结构，提高了破碎剂装孔后的稳定性。石膏与三聚磷酸钠在水化反应中阻碍了Ca(OH)2结晶成核，减缓水化反应的进行。聚羧酸减水剂可减少破碎剂搅拌时的用水量，提高浆液流动性。粉煤灰作为填充物添加到实验中。所以实验选取CaO、水泥、石膏、钠基膨润土、三聚磷酸钠、聚羧酸高效减水剂和粉煤灰为材料研究对象。

3　实验原理及方案

3.1　实验原理

随着水化反应的进行，静态破裂剂体积及孔隙率逐渐增大，当浆体周围受到约束时，便会产生膨胀压力，沿径向产生压应力，沿切向产生拉应力(图3)。根据国标JC 506—2008选取了钢管作为间接测量静态破碎剂膨胀压力的装置，在径向压应力σθ和切向拉应力σr作用下，钢管外壁圆周方向将会产生变形，通过测量应变片变形量，再利用薄壁圆筒理论和弹塑性力学理论，即可求出静态破碎剂的膨胀压力[16]，如式(1)

P=Es(K2-1)[εθ/(2-v)]

(1)

2)通过实验得出煤岩静态破碎剂最佳配比为：CaO75%、水泥8%、石膏3%、膨润土5%、三聚磷酸钠0.6%、聚羧酸减水剂0.4%、粉煤灰8%。

阵中十人摇摇晃晃，余力所及，如惊涛拍岸，观战的三人后退十余步，才稳住身形。宇晴将“好”字强行咽了下去，伤到孙老神仙，可不是玩的，万花谷的长寿纪录，我大唐的长寿纪录，得多少年才能重新创造出来。倒是僧一行脱口称赞：“三条小鲤鱼，在混水里摸来摸去，知道跳龙门了！”

3.2　实验方案

仪器设备：DH5929动态应力应变采集仪(应变量程0～106 με)；钢管(Q235型无缝钢管)；游标卡尺(量程300 mm)；电阻应变片(规格0.5×20 mm，电阻值120.0±0.2 Ω)。

图 3　钢管径向和切向受力状态图 Fig. 3　The radial and tangential stress state of the steel tube

原材料：实验纯氧化钙(CaO含量≥98%)；42.5R硅酸盐水泥；石膏；钠基膨润土；三聚磷酸钠；聚羧酸高效减水剂；Ⅱ级粉煤灰。

面对五彩斑斓的西域山川，有许多画家进行了色彩的大胆尝试，这也不愧为一种艺术表现形式的探索。尤其是冰川与绿树黄花同时映入我们的眼帘时，作为“视觉动物”的艺术家真的很难经得住这种色彩美的巨大诱惑。但人们在表现山川之“象”时，却不能仅仅停留在“像”的层面上，是中国画，就需要考虑格调的问题。冰山与烈焰如何兼具一身？是以色貌色还是以形写神？视觉的巨大冲击需要以思想的高度升华为转机，才能演变为山水之境的历史重生。

利用配制的煤岩破碎剂对混凝土试块进行了胀裂试验(图7)，混凝土试块按照C30水泥砂浆标准配合养护，设计尺寸分别为30×50×40 cm3和30×30×40 cm3，预留孔深35 cm，直径32 mm，垂直底面分布。双孔试块孔间距20 cm，两孔距试块边缘垂直距离15cm；单孔试块预留孔位于试块中心位置。浆体灌入孔中50 min左右孔口发生固结现象，未发生喷孔，孔口温度稍大于周围温度，在6h左右试块出现微小裂纹，24 h后裂纹不再变化可认为反应结束，胀裂效果如图7。从图中可知，单孔试块经胀裂后产生3条裂缝，3条裂缝以钻孔为中心大约呈132°、105°、123°分布，裂缝1最宽约为3cm，3条裂缝都发展到试块边缘，将试块一分为三，破裂比较均匀；双孔试块经胀裂后，裂缝1、3、5贯通成一条弧形主裂缝，裂缝宽度2～4 cm，将试块一分为二，裂缝2与裂缝1夹角为77°,裂缝4与裂缝5夹角为98°，将试块上半部分分割成3块，证明煤岩破碎剂可通过控制钻孔布置方式而定向破碎煤岩。混凝土试块膨胀试验效果明显，为将煤岩破碎剂应用到定向切顶工程打下了坚实的基础。

另外，“吃亏是福，想开点，没有过不去的火焰山”。心宽体健嘛，懂得忍让和谦和，也是李老先生健康的又一秘诀。在华人社区，常常可以看到，老爷子身边围了一群朋友，中外黑白老幼都有，大家的脸上都喜笑颜开，其乐融融。

4　实验结果与分析

由图5可以看出，2～9号实验应变曲线呈顶部上凸“Z”字形，这是由于煤岩静态破碎剂膨胀力与应变片电阻率不同变化速度所致。造成此现象是因为破碎剂灌浆开始水化反应非常缓慢，膨胀力变化小，在40～65 min之后膨胀力迅速增大，应变量随之迅速上升，同时伴有温度快速升高；膨胀力达到峰值后水化反应趋于缓和，期间有少量水分蒸发，温度下降，钢管有一定变形回弹，圆周方向变形量在短时间内有一定下降；应变片变形后，电阻率很难恢复到原来状态，应变量曲线呈直线状态，之后所测数据已无意义，证明膨胀力达到峰值后不再升高。1号实验中由于CaO含量少，填充物粉煤灰含量较大，水化反应过程中产生固体硬化，CaO反应不充分，水化反应效果不好，无膨胀力迅速增大现象，其应变量较小，也没有下降趋势。4号实验接近完成时应变片受温度影响一部分和钢管脱离，造成应变曲线达到峰值后下降过程中有一段突降，但对应变量峰值测量没有影响。1号实验浆体变化是由液体到坚硬胶结固体，其他实验浆体变化是由液体到较软胶结固体，再到粉末状固体。

图 4　应变片位置布置图(单位：mm) Fig. 4　Layout of strain gauge(unit:mm)

表 1　L(33)正交实验各组分百分比

Table 1　The percentage of L(33) orthogonal test

实验编号CaO/%石膏/%水泥/%膨润土/%三聚磷酸钠/%高效减水剂/%粉煤灰/%1653850．60．41827051050．60．4937571250．60．4046551250．60．4125707850．60．4967531050．60．4676571050．60．41287031250．60．499755850．60．46

由图5(a)、(b)、(c)比较可以看出石膏和三聚磷酸钠明显延缓了煤岩破碎剂膨胀压力峰值出现时间；当水泥一定时，随着CaO掺量增加，煤岩静态破碎剂膨胀压力逐渐增大；当CaO一定时，随着水泥掺量增加，煤岩静态破碎剂膨胀压力逐渐增大，但不如CaO明显。通过间接计算得出的各个实验膨胀压力与正交实验结果如表2所示。

YANG Yang, JU Zhi-guo, YUAN Ming-yuan, LI Rong-xian, ZHANG Hui-qun, NING Zhong-ping, FANG Ming, LI Xin-ming

图 5　实验应变实测曲线图 Fig. 5　Curve of experimental strain

表 2　正交实验结果

Table 2　Results of orthogonal test

实验编号CaO(A)石膏(B)水泥(C)应变量/με膨胀压力/MPa111160325．23222264226．88333375631．67412350421．12523170229．40631282034．34713256423．62821362626．20932188537．04K169．9885．7791．67K282．4885．0484．84K3103．0584．6978．99K123．3328．5930．56K227．4928．3528．28K334．3528．2326．33极差11．020．364．23

表2中K1、K2、K3分别表示各因素各水平膨胀压力的总和[17]，由此进一步验证了静态破碎剂膨胀力随着CaO与水泥的含量增加而变大，CaO对静态破碎剂膨胀压力有极显著影响，水泥对静态破碎剂膨胀压力有一定影响，石膏对膨胀压力几乎无影响；由极差可得出静态破碎剂膨胀压力主要因素是CaO，水泥次之，石膏影响最小分别表示各因素各水平膨胀压力的平均值，可得出各因素最佳搭配为A3B1C1，即CaO75%、水泥8%、石膏3%、膨润土5%、三聚磷酸钠0.6%、聚羧酸减水剂0.4%、粉煤灰8%。

本文使用电流型运放与缓冲芯片构成了一型电流型前置放大器，通过实验验证了该前放使用NaI探测器耦合CR160光电倍增管测试的前放的输出脉宽可以小到570.19 ns，输入电离室信号时信噪比可以达到45.68 dB。本文中所设计的高速电流型前置放大器相对于传统的电荷型前置放大器有更低的脉冲堆积率与更高的带宽，配合配套开发的电流型数字多道系统可以在更高剂量率的工况下进行精细谱线识别等探测工作。

为了验证最佳配比静态破碎剂的效果，补做了两次实验，编号为A1与A2。其应变量分别为906 με与932 με，应变峰值分别出现在45 min和51 min，如图6所示，计算得膨胀压力力分别为37.94 MPa与39.07 MPa，都大于正交实验中最大膨胀压力37.4 MPa。

图 6　补充性实验应变实测曲线图 Fig. 6　Strain measured curves of complementary experiment

本研究在正交实验前后做了大量探索性的实验，其中有不少失败实验，CaO含量在65%以下易造成固体硬化，使静态破碎剂膨胀压力降低，当CaO含量大于80%，在静态破碎剂搅拌过程中温度明显升高，造成膨胀压力损失，也不利于工程实践；在未加入或少量加入石膏和三聚磷酸钠的情况下，静态破碎剂搅拌过程中温度上升迅速，加入一定量石膏或三聚磷酸钠破碎剂浆体温度升高明显延缓，证明石膏和三聚磷酸钠可延缓水化反应。掺加聚羧酸减水剂的破碎剂按水灰比0.4加水搅拌即可形成流动性较强的浆体，但没有掺加聚羧酸减水剂的破碎剂加水至水灰比为1时仍不能形成浆体，聚羧酸高效减水剂减水效果非常明显；钠基膨润土含量大于5%时，容易易造成固体硬化，不利于水化反应的进行，造成实验失败，所以其含量应控制在5%以内。

5　混凝土试块胀裂试验

步骤：(1)用502胶水将电阻应变片贴在钢管上相应部位，图4所示；(2)电阻应变片与采集数据线端头通过专用接线端子用电烙铁焊接，采集数据线另一端与DH5929动态应力应变采集仪连接；(3)将已贴片的钢管装入塑料袋中，然后放入水桶中，平衡应力应变采集仪各通道。(4)按表1重量配制比准确称取各组分，总质量400 g，搅拌均匀，按照水灰比0.4加水，然后灌人钢管中，由应力应变采集仪记录钢管的圆周方向应变量。

图 7　混凝土试块验效果图 Fig. 7　Effect drawing of concrete test block

6　结论

1)CaO对静态破碎剂的膨胀压力的影响最大，但含量不易超过80%；石膏的含量对静态破碎剂的凝结时间有明显的影响，对膨胀压力的影响不明显；静态破碎剂中水泥的掺量对膨胀压力有一定影响，但不如CaO明显。

式中：P膨胀压力(精确到0.01 MPa)，MPa；Es钢管的弹性模量，为2.06×105 MPa；K钢管的系数，为rθ/ri(rθ钢管外径，mm；ri钢管内径，mm)；εθ钢管圆周方向应变量，εθ=应变量/应变仪量程；v泊松比，取0.3。

随着经济的高速发展和国民的生活水平不断提高，旅游成为人们日常消费中重要内容之一。随着我国旅游市场开放程度加深，旅游产业竞争也日益激烈。如何在激烈的竞争中脱颖而出，关键在于产业的竞争力。迈克尔·波特认为旅游业的产业集群效应明显，因而是一个适合集群化发展的产业[1]。近年来，惠州市的旅游业已经成为促进区域经济发展的龙头产业。2017全年的旅游总收入达到了439.28亿元，增长了20.6%。旅游产业通过发挥的联动效应和极化扩散效应，对商贸、会议等服务产业的集聚产生重要推动作用，从而有助于推动旅游产业的转型升级[2]。鉴于此，笔者利用GEM模型对惠州市的旅游产业集群进行研究分析。

3)本实验配置的煤岩静态破碎剂膨胀力在38 MPa左右，矿井岩石的抗拉强度一般不超过10 MPa，完全满足切顶卸压要求，在胀裂试验中，单双孔试块逐渐产生细微短小裂隙，且开裂宽度和深度缓慢增大，最终试块整体分割成多块，由此证明本研究配制的破碎剂破碎能力强且能满足定向切顶要求。

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场地仅钻孔（CK1、CK3～6、CK9～10、ZK1～3、ZK5～8、ZK11～20） 有揭露，揭露层厚0.50～3.81m，平均厚度1.82m；层顶高程-0.70～2.50m，层顶深度 1.30～4.30m。

2.1 患者基线资料 结果(表1)表明：与≥90分组相比，<70分组患者年龄较大、女性比例更高、既往消化性溃疡比例较低、入院时收缩压较低、白细胞计数更多、STEMI比例更高、进行急诊介入治疗的比例更高、术后左心室射血分数(LVEF)更低、脑钠肽前体(pro-BNP)水平更高，差异均有统计学意义(P<0.05)。

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据统计，从2001年到2017年，中国的货物进口平均年增长速度是世界进口增速的2倍。11月7日，国家商务部在进博会上表示，三天内，近百家电子商务企业与30余个国家和地区的400多个国际品牌对接，涉及新型电子消费产品、家电、服装服饰、美妆、医药、食品、生鲜等各品牌领域。

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SPT的包膜完整与否提示肿瘤是否向周围浸润，间接反映肿瘤的恶性程度[10]。CT上包膜表现为线样稍高密度影，增强扫描包膜强化；MRI上包膜表现为T2WI呈低信号，增强扫描肿瘤包膜强化。本组CT显示有包膜7例(70%)；MRI显示有包膜19例(79.17%)，与Raman等[3]及李靖等[11]的结果相符。由于MRI具有软组织分辨率高、多序列成像的优势，因此在显示包膜方面MRI优于CT，特别是在T2WI及动态增强图像，包膜和肿瘤、正常胰腺组织信号差别明显。