邊角煤工作面煤壁片幫機(jī)理分析及注漿加固技術(shù)

周春山

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

由于礦井煤層賦存條件的不規(guī)則、采區(qū)劃分及工作面布置等原因，在礦井開(kāi)采后期會(huì)遺留大量的邊角煤資源[1]。合理的回采不規(guī)則邊角煤柱可以提高煤炭資源的利用率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限[2]。邊角煤形狀不規(guī)則，回采時(shí)需要對(duì)工作面進(jìn)行調(diào)采。工作面大角度調(diào)采時(shí)，由于工作面推進(jìn)速度慢、頂板受支架的反復(fù)支撐，容易造成工作面煤壁和頂板煤巖體破碎進(jìn)而發(fā)生片幫冒頂，影響工作面的正常推進(jìn)，不利于礦井安全生產(chǎn)[3]。當(dāng)工作面煤巖體具有“三軟”特性時(shí)，工作面調(diào)采時(shí)發(fā)生煤壁片幫的可能性更大[4-6]。因此，解決“三軟”煤層邊角煤工作面調(diào)采時(shí)煤壁片幫問(wèn)題對(duì)礦井高效生產(chǎn)有重要意義。

本文針對(duì)顯德汪礦二采區(qū)1223工作面大角度調(diào)采時(shí)出現(xiàn)頂板破碎、煤壁片幫問(wèn)題，從煤壁片幫影響因素、加固措施等方面進(jìn)行研究，提出煤壁片幫加固設(shè)計(jì)方案，為邊角煤工作面煤壁片幫治理提供借鑒。

1 工程概況

顯德汪礦二采區(qū)1223工作面所采煤層為2號(hào)煤，該煤層賦存不穩(wěn)定，煤層平均厚度為1.96 m，煤層平均傾角為16°。直接頂為粉砂巖(中夾煤線)與炭質(zhì)泥巖復(fù)合頂，平均厚度為1.5 m；基本頂為細(xì)砂巖，厚度為18 m，底板為砂質(zhì)泥巖，厚度為2.1 m。煤巖石力學(xué)參數(shù)的測(cè)定結(jié)果表明，頂板炭質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度為18.3 MPa，底板抗壓強(qiáng)度為3.7 MPa，煤層f值為0.15，煤層具有頂板破碎，煤層及底板松軟的“三軟”特性。

1223工作面開(kāi)采邊角煤柱，工作面布置呈“倒L”形。工作面回采時(shí)需進(jìn)行3次旋轉(zhuǎn)開(kāi)采，工作面巷道布置示意圖如圖1所示。

圖1 工作面巷道布置示意圖Fig.1 Roadway layout of working face

2 工作面煤壁片幫影響因素分析

1) 工作面煤巖體性質(zhì)影響。1223工作面煤層、頂?shù)装灞憩F(xiàn)“三軟”特性；煤巖體的巖性較弱，煤壁的抗剪強(qiáng)度和黏聚力較低；工作面煤層在頂板壓力的作用下易發(fā)生破壞，從而產(chǎn)生煤壁片幫。

2) 工作面大角度調(diào)采影響。1223工作面開(kāi)采不規(guī)則邊角煤柱，回采期間需要進(jìn)行3次大角度調(diào)采以保證工作面連續(xù)推進(jìn)，三次調(diào)采角度分別為25°、90°、35°。工作面進(jìn)行調(diào)采時(shí)推進(jìn)速度較慢，需要頻繁調(diào)整支架推進(jìn)方向，支架反復(fù)支撐頂板，造成頂板煤巖體破碎程度明顯增大。在工作面調(diào)采過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)第12～40號(hào)液壓支架上方的直接頂和架前的煤巖體破碎嚴(yán)重，支架上方直接頂巖層受到破壞。

3) 煤層傾角影響。1223工作面煤層平均傾角為16°，工作面在調(diào)采時(shí)采用仰斜開(kāi)采方式；由于煤層平均傾角大于15°，工作面發(fā)生煤壁片幫的可能性增加[7]。

4) 支架的影響。支架初撐力不足時(shí)，不能有效控制頂板，頂板完整性易受到破壞；支架提供合理的初撐力時(shí)，可以及時(shí)支護(hù)頂板，有效限制頂板下沉變形，而合理的工作阻力又可以有效承受頂板來(lái)壓，同時(shí)緩解煤壁上方頂板的壓力。

綜上所述，由于1223工作面煤層具有“三軟”特性，煤體本身的黏聚力、內(nèi)摩擦角等力學(xué)性能較弱，是在工作面開(kāi)采過(guò)程中煤壁易片幫的主要內(nèi)在原因；在不改變煤體物理性質(zhì)、工作面支架的布置時(shí)，仰采角度及頂板支承壓力將成為影響煤壁片幫的主要外在因素。

3 煤壁片幫注漿加固技術(shù)

3.1 煤壁注漿加固原理

利用注漿設(shè)備向煤壁注入注漿材料，在注漿壓力的作用下，一方面漿液充填到煤體中的裂隙面，漿液凝固后改善了弱面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，提高了煤體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，也可以使破碎煤體重新膠結(jié)成整體，形成承載結(jié)構(gòu)；另一方面，漿液在注漿管中固結(jié)形成桿體結(jié)構(gòu)，起到錨固煤壁的作用[8]。

根據(jù)1223工作面破碎煤巖體的特征和采煤工藝的要求，選擇高分子加固材料注漿加固。該注漿材料具有較高的黏合力和較好的機(jī)械性能，與地層有較強(qiáng)的親和力，固結(jié)體的柔韌性能承受一定的地層變形。注漿材料注入煤、巖層以后，低黏度混合物保持幾秒鐘，滲透進(jìn)細(xì)小的裂縫膨脹，產(chǎn)生二次壓力，將受注體更好地膠結(jié)為一個(gè)整體。

3.2 注漿加固參數(shù)選取

1) 注漿位置的確定。注漿加固位置主要包括局部注漿加固和全斷面注漿加固[9]。注漿加固位置的確定主要考慮煤巖體的破壞程度及破壞位置，全斷面加固雖然加固效果理想，但成本高、工藝較復(fù)雜，針對(duì)煤壁片幫問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)煤壁片幫的程度合理進(jìn)行選擇。

2) 注漿孔布置方式。注漿孔布置方式主要包括注漿孔的間排距、注漿孔的角度等。為了達(dá)到理想的注漿加固效果，需要設(shè)置合理的注漿孔間排距。設(shè)計(jì)注漿孔的間排距時(shí)應(yīng)考慮注漿液的偏流效應(yīng)及擴(kuò)散距離[9]，同時(shí)要結(jié)合實(shí)際煤巖體的破壞情況作合理的調(diào)整。

3) 注漿孔參數(shù)設(shè)置。注漿孔參數(shù)主要包括注漿孔深和注漿加固深度，兩者設(shè)計(jì)深度基本一致，主要取決于漿液的徑向擴(kuò)散性能、煤巖體注漿后的固結(jié)效果等。為達(dá)到理想的注漿加固效果，在考慮漿液的徑向擴(kuò)散性能的前提下，注漿孔深應(yīng)靠近煤巖體的峰后強(qiáng)度區(qū)邊緣，以使破裂巖體固結(jié)并使注漿管中固結(jié)的桿體起到錨固作用。

4) 注漿壓力設(shè)定。注漿壓力主要取決于漿液性能和煤巖體的滲透性能及設(shè)計(jì)的滲透范圍[9]。合理的注漿壓力可有效減少注漿工程量，利于漿液滲透；否則會(huì)造成破壞煤巖體的整體結(jié)構(gòu)或無(wú)法有效滲透到煤巖體裂隙中。其選取原則應(yīng)根據(jù)煤巖體巖性的軟弱和裂隙發(fā)育程度。

4 煤巖注漿加固設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用

4.1 注漿材料及設(shè)備的選定

注漿加固主要采用無(wú)機(jī)或有機(jī)(即化學(xué))兩類材料。前者為顆粒狀的漿液，成分以水泥-水玻璃雙液為主，此類材料存在一些問(wèn)題，主要是凝固時(shí)間不易控制，漏損比較嚴(yán)重，漿液易析水導(dǎo)致煤巖體軟化，注漿后強(qiáng)度不足，這類材料主要用于裂隙大、變形小且無(wú)動(dòng)壓影響，煤體強(qiáng)度較高的注漿。有機(jī)(化學(xué))漿液為溶液型，易向細(xì)微裂隙和孔隙內(nèi)滲透，漿液反應(yīng)速度可控，凝固體有較高的強(qiáng)度，在幾分鐘內(nèi)可達(dá)到最終強(qiáng)度的90%以上。根據(jù)工作面的開(kāi)采條件，采用高分子有機(jī)注漿材料。

確定注漿材料使用波雷因漿液，該漿液為溶液型漿液，由A料和B料兩種成分組成， 在泵壓作用下按一定比例注入煤體，在自身反應(yīng)下可以滲透到細(xì)小的裂隙和孔隙內(nèi)，具有較好的機(jī)械性能和較高的黏合力，注漿后煤體可適應(yīng)一定的地層變形，波雷因具體性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 波雷因具體性能參數(shù)Table 1 Specific performance parameters of Borein

1223工作面的注漿設(shè)備使用BQZ20-12氣動(dòng)雙液注漿泵。注漿時(shí)可采用間隔注漿。

4.2 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

1) 在工作面回采工程中發(fā)現(xiàn)，1223工作面12～40號(hào)液壓支架及其他頂板煤巖體破碎嚴(yán)重，因此，注漿位置主要布置在1223工作面12～40號(hào)液壓支架前方煤壁易片幫處。

2) 1223工作面注漿孔采用三花眼局部注漿布置，注漿孔布置兩排。注漿孔距為3 m，排距為1.2 m。其中，上排注漿孔自煤層頂板處開(kāi)孔，注漿孔與巷道頂板夾角成15°，下排注漿孔開(kāi)孔與煤壁垂直(圖2)。采用風(fēng)動(dòng)錨桿機(jī)鉆取注漿孔，并配備相應(yīng)長(zhǎng)度的鉆桿和相應(yīng)數(shù)量的Φ32 mm的鉆頭。

圖2 工作面煤壁注漿孔布置Fig.2 Layout of grouting holes in coal wall

3) 為達(dá)到理想的加固效果，根據(jù)1223工作面煤巖體的性質(zhì)分析計(jì)算，將1223工作面兩排注漿孔孔深均設(shè)計(jì)為8 m，孔徑設(shè)置為Φ32 mm。每個(gè)注漿孔中放置2根注漿管，注漿管為Φ15 m，長(zhǎng)度為2.0 m的鋼管，1根帶花眼，1根不帶花眼。其中，不帶花眼的鋼管布置在孔口，兩鋼管之間纏麻作為封孔，封孔段長(zhǎng)為800 mm。在注漿孔里段留設(shè)約2 m深裸孔。

4) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，1223工作面煤壁注漿孔設(shè)計(jì)終壓不大于1.0 MPa。

4.3 煤壁注漿工程實(shí)踐效果

工作面煤壁注漿加固前，根據(jù)對(duì)工作面煤壁片幫形式的觀測(cè)，分析可得工作面煤壁片幫主要有底部片幫、腰部片幫和頂部片幫三種形式，以腰部片幫和頂部片幫頻率較高，煤壁片幫深度超過(guò)1 m，且主要集中在12～40號(hào)液壓支架前方。

為了掌握1223工作面煤壁注漿后的片幫控制效果，在工作面3個(gè)周期來(lái)壓期間，工作面大約推進(jìn)30 m范圍內(nèi)進(jìn)行礦壓觀測(cè)，主要對(duì)煤壁片幫的深度、煤壁片幫的形式及片幫的區(qū)域進(jìn)行記錄，觀測(cè)頻率為每天一次，通過(guò)對(duì)觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，得到煤壁注漿后實(shí)踐效果，見(jiàn)圖3。

圖3 注漿加固后工作面煤壁片幫深度及位置統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 Statistical results of depth and location of coal wall after grouting reinforcement

由圖3可知，工作面煤壁經(jīng)歷3次周期來(lái)壓期間，工作面煤壁片幫得到有效控制，煤壁最大片幫深度為30 cm左右，煤壁片幫主要發(fā)生在工作面10～40 m范圍內(nèi)。這主要是因?yàn)楣ぷ髅嬖谡{(diào)采期間該區(qū)域支架推進(jìn)慢，反復(fù)支撐頂板造成一定程度損壞，但是并不影響工作面正常工作；煤壁工作面其他區(qū)域片幫次數(shù)基本杜絕，最大片幫深度也控制在3 cm內(nèi)，有效解決了工作面片幫安全隱患?；夭蓪?shí)踐表明，所采用的煤壁注漿加固方案，有效控制了1223工作面調(diào)采期間煤壁片幫，提高了工作效率。

5 結(jié) 論

1) 分析了煤壁片幫的影響因素，得出工作面煤體巖性軟弱是發(fā)生片幫的主要內(nèi)在原因，仰采角度及頂板支承壓力是影響煤壁片幫的主要外在因素，為工作面煤壁片幫注漿加固提供理論指導(dǎo)。

2) 根據(jù)注漿加固原理及注漿加固參數(shù)的選取原則，結(jié)合1223工作面開(kāi)采時(shí)煤壁的破壞情況，設(shè)計(jì)了工作面煤壁片幫加固設(shè)計(jì)方案，為1223工作面調(diào)采期間煤壁的穩(wěn)定性提供保障。

3) 回采實(shí)踐表明，采用高分子加固材料進(jìn)行注漿加固后，工作面片幫和冒頂?shù)玫接行Э刂疲瑢?shí)現(xiàn)工作面正?；夭?，為解決不規(guī)則邊角煤工作面大角度調(diào)采時(shí)煤壁片幫問(wèn)題提供參考。