瓦斯抽放是煤矿瓦斯防治的主要措施之一，瓦斯抽放效果主要取决于煤层渗透率、抽放半径等参数。由于复杂的地质条件和矿井开采的延伸，导致开采前的抽采难度大，低透气性煤层的瓦斯抽采效果较差，达不到瓦斯治理的目的。因此提高低透气性煤层渗透率，有效的卸压增透强化抽采是解决问题的关键[1-2]。随着煤层瓦斯治理研究工作的深入开展，静态爆破技术卸压增透的方法正逐步应用于煤层瓦斯抽采，其本质是通过静态破碎剂作用于钻孔，水化反应压裂煤体，从而扩大瓦斯抽采半径[3-5]。

崇明岛内地势平坦，地面高程在3.20～4.40 m。岛上共有水闸 26座，涵闸53座；共有河道15 209条，共计9 226.38km。其中，市级河道1条（崇明环岛河），179.60km；县级河道28条，共 378.22km；乡（镇）级河道 568条，共1438.04km；村级河道14 612条，共7 230.52km，基本形成了南引北排、东西贯通的河道网络。

静态爆破具有低爆速、慢加载、操作简易特点，能在无震动、无噪声、无飞石、无有害气体的条件下实现煤体破碎[6-7]。由于静态爆破采用的静态破碎剂是一种高膨胀性能的粉末状物料，与水搅拌反应膨胀固化，随着水化反应的进行，会释放大量热能，钻孔中热量的积累会加热煤体，出现一定的生产隐患[8-9]。为降低静态破碎剂反应温度及总放热量，论文对掺加不同比例的铁尾矿粉进行试验分析，确定适合的掺和比例，改善井下静态破碎剂反应速率快及温度高的特点，从而实现煤矿安全生产。

1 材料组成

1.1 静态破碎剂的材料组成

试验使用静态破碎剂[10]是由北京宇翼特种水泥厂生产，产品型号为HSCA，其熟料的化学成分和矿物组成见表1。熟料中f-CaO的含量是产生膨胀能的主要因素；静态破碎剂中要有一定数量的强度组分，在水化反应过程中，对煤层钻孔起到一定封孔作用，保证较高的膨胀压，提高破碎效率；为起到缓凝的效果，熟料中加入适当比例的二水石膏、减水剂和木钙共同研磨制成。

 

表1 静态破碎剂化学成分和矿物组成Table1 Chemical and mineral composition of SCA

  

化学成分/% 矿物组成/% 密度/(g ·cm-3)LOISiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3∑C3SC4AFC4A3Sf-CaO 1.3 0.51 3.41 1.67 1.82 87.74 0.65 4.20 99.49 13.2 1.82 6.41 77.34

1.2 铁尾矿粉的材料组成

本试验使用的铁尾矿呈块状，经破碎烘干后，投入球磨机粉磨1 min，使尾矿颗粒充分分散，加工得到铁尾矿粉其中-0.074 mm 65%，其化学成分见表2。

 

表2 铁尾矿粉主要化学成分/%Table 2 Main chemical composition of iron tailing powder

  

TFe SiO2 CaO MgO Al2O3 P S 10.32 76.56 3.18 2.62 4.88 0.08 0.312

2 试验装置与方法

用天平分别称取5组总质量500g的铁尾矿粉与静态破碎剂混合物，矿粉分别占总质量的0.2、0.3、0.4、0.5、0.6，分别加入150 mL去离子水搅拌均匀，配比见表3。加入保温壶后，通过温度传感器和记录仪记录反应温度随时间的变化，并通过计算静态破碎剂反应前后的体积膨胀率，检验反应效果。

试验设计在环境温度20℃左右条件下，采用5组密封保温壶，连接Pt-100温度传感器，使用MK-200E记录仪监测数据；静态破碎剂分别加入不同比例铁尾矿粉；为保证静态破碎剂具有良好的流动性，确定水灰比为0.3，试验用水采用去离子水。

 

表3 静态破碎剂和铁尾矿粉配比Table3 Mix proportion of SCA and iron tailing powder

  

编号 静态破碎剂/g 铁尾矿粉/g 去离子水/mL a 400 100 150 b 350 150 150 c 300 200 150 d 250 250 150 e 200 300 150

3 结果与分析

3.1 反应温度变化曲线

朱光潜认为，美不完全在外物，也不完全在人心，它是心物结合后所产生的婴儿。因而引导学生用心去关心身边的人，留意身边的事，并细细地去体悟，他们的情感世界将会渐渐丰富起来，流露笔端的情感也将渐渐真切起来。下面是一位学生的一篇习作：

用光学显微镜观察酿酒酵母产孢情况结果如图1，图中绿色的为子囊孢子，红色的为营养细胞。由图可看出细胞形成子囊孢子的数量并不都相同，其中形成2个和3个子囊孢子相对较多，能形成4个子囊孢子非常少。

  

图1 静态破碎剂反应温度变化曲线Fig . 1 Changing curves of reaction temperature of SCA

静态破碎剂体积膨胀率是保证破碎效果的重要因素。在静态破碎剂掺加铁尾矿粉的自由膨胀试验中，静态破碎剂反应前后体积对比见表4。由图可知，随着铁尾矿粉掺加比例增加，总质量不变，反应前后的体积均减小，体积膨胀率也随之降低，这表明铁尾矿粉对静态破碎剂的膨胀体积具有一定影响，但静态破碎剂仍具有较高的膨胀率。

图1（a）曲线表示在环境温度20℃情况下，水温20℃，水灰比0.3，掺加20%铁尾矿粉的静态破碎剂的反应温度变化曲线。可以看出，在静态破碎剂反应开始阶段，20～40℃时，反应升温缓慢；当温度达到40℃后，反应迅速加快，升温明显；在反应45 min时，达到最高温度156℃，随后温度开始缓慢下降。图1（b）曲线表示在环境温度20℃情况下，水温20℃，水灰比0.3，掺加30%铁尾矿粉的静态破碎剂的反应温度变化曲线。温度变化规律与掺加20%铁尾矿粉的静态破碎剂温度变化规律基本相同，但整体升温过程和反应最高温度相对于a数据都相对较慢，在反应60 min时，达到最高温度139℃。图1中的c、d、e曲线分别表示在环境温度20℃下，水温20℃，水灰比0.3，掺加40%、50%、60%铁尾矿粉的静态破碎剂的反应温度变化曲线。通过对比可以看出，静态破碎剂各阶段反应温度变化基本相同，达到的最高温度分别为108℃、104℃、101℃。

3.2升温速率变化

分别对5组试验数据进行分析，测定每组静态破碎剂反应温度每升高10℃所需的时间Δt，并计算5组试验各温度段的升温速率K，以此作为反映静态破碎剂反应过程中温度上升快慢的指标，即 K=10/Δt[11]。

  

图2 静态破碎剂升温速率变化曲线Fig . 2 Changing curve of heating rate of SCA

对5组温度变化曲线拟合计算，5组试验升温速率曲线见图2。通过图2可以看出，静态破碎剂反应温度小于100℃时，升温速率曲线变化趋势基本相同；反应温度20～40℃时，静态破碎剂升温速率相对缓慢；40～100℃时，升温速率快速增加；由于静态破碎剂反应至100℃时，会有短暂的蒸发水分的时间，之后继续升温，但升温速率有所降低；由5组升温速率对比可知，增加铁尾矿粉掺和比例，各阶段升温速率明显下降。由于掺加40%、50%、60%铁尾矿粉时反应最高温度均小于110℃，所以图 2(c)、(d)、(e)在升温范围为 20～110℃。

The supplier will cut the profile to actual length according to SAP order list and send to our factory. We don′t need to cut again, just directly install them to the truss by the assembly number. This avoid the waste of material, and also eliminate the labor of measure, cut, transfer.

3.3 静态破碎剂的膨胀率

对比图1的a、b、c数据表明，通过提高铁尾矿粉比例，静态破碎剂各阶段的反应升温速率明显减缓，达到的最高温度也明显下降，并且整体升温过程相对延缓了15 min、25 min。从图1的c、d、e数据可看出，随着铁尾矿粉比例的增加，静态破碎剂温度影响作用逐渐减小。

4 结 论

在保持相同的水灰比及相同水温下，向静态破碎剂掺和不同比例的铁尾矿粉的试验得出以下结论：

 

表4 不同配比的静态破碎剂膨胀率Table 4 Different proportions of SCA volume expansion ratio

  

体积膨胀率100% SCA 0.3 380 1242 3.27 20% ITP+80% SCA 0.3 376 1180 3.14 30% ITP+70% SCA 0.3 371 1145 3.08 40%ITP+60%SCA 0.3 368 1089 2.96 50%ITP+50%SCA 0.3 366 1055 2.88 60%ITP+40%SCA 0.3 365 1020 2.79材料组成 水灰比反应前体积/cm³反应后体积/cm³

(1)静态破碎剂在掺和不同比例铁尾矿粉情况下，保持水灰比为0.3，随着铁尾矿粉掺量的增加其反应速率明显降低。并且降低了静态破碎剂整个反应过程中放热量，可减少对煤质的影响。

(2)在保持水的温度和水灰比不变前提下，可以得出随着铁尾矿粉的掺量提高会有效的降低静态破碎剂水化反应所能达到的最高温度，而且大大地延缓静态破碎剂水化反应到达最高温度所需的时间，实现在井下复杂环境下，有充分的时间完成煤层钻孔地充填封孔工作。

(3)静态破碎剂自由膨胀试验中，掺和铁尾矿粉对静态破碎剂的膨胀体积具有一定影响。反应温度和膨胀率对比表明，静态破碎剂掺入铁尾矿粉不宜超过50%，反应后的体积膨胀率达到2.88左右，仍保证较高的膨胀率，在煤矿使用过程中，可实现破碎效果。

参考文献：

[1]翟成,武世亮,汤宗情,等.基于静态爆破的煤层致裂增透技术研究[J].煤炭科学技术,2015 (5):54-57, 50.

[2]李忠辉,宋晓艳,王恩元.石门揭煤静态爆破致裂煤层增透可行性研究[J].采矿与安全工程学报,2011 (1):86-89.

[3]姜楠,徐全军,龙源,等.大孔径静态破碎膨胀压力特性及布孔参数分析[J].爆炸与冲击,2015,35(4):467-472.

[4]张超,林柏泉,周延,等.本煤层深孔定向静态破碎卸压增透技术研究与应用[J].采矿与安全工程学报,2013 (4):600-604.

[5]来兴平,李林耀,单鹏飞,等.一种用于急倾斜煤层顶煤致裂的静态破碎剂效应试验[J].西安科技大学学报,2013,(2):127-130, 142.

[6]郝兵元,李泽华,黄辉,等.静态破碎技术处理高瓦斯矿井巷道悬顶的研究与应用[J].爆破,2015 (2):109-114.

[7]王作鹏,杜华善,张现亭,等.一种新型静态破碎剂的研制[J].煤矿爆破,2004 (2):13-15.

[8]李岩,马芹永.静态破碎剂反应温度变化规律的试验与分析[J].地下空间与工程学报,2013 (6):1289-1292+1309.

[9]马冬冬,马芹永,袁璞.气温和水温对静态破碎剂膨胀性能影响的试验分析[J].爆破,2014 (4):124-128.

[10]游宝坤.静态爆破技术——无声破碎剂及其应用[M].北京:中国建材工业出版社,2008.

[11]王凤双,杨胜强,李珍宝,等.不同粒径煤样低温氧化过程升温速率规律研究[J].煤炭科学技术2014,42(5):62-64.