煤壁柔性加固工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

楊勝利，楊 毅,3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083; 2.放頂煤開采煤炭行業(yè)工程研究中心，北京 100083; 3.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211)

煤壁穩(wěn)定性控制是長壁工作面采場圍巖控制的重要內(nèi)容，對(duì)煤壁穩(wěn)定性控制的關(guān)注是隨著綜合機(jī)械化大采高開采在我國的推廣應(yīng)用開始的[1]。為了保證工作面安全高效回采，除了需要有可靠的設(shè)備外，還需要有穩(wěn)定的回采空間，即工作面煤壁和頂板要穩(wěn)定。近年來，一方面，隨著淺部煤炭資源的枯竭，煤炭開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移;另一方面，隨著綜合機(jī)械化裝備制造水平和工作面管理水平的逐步提高，采用大采高開采的礦井越來越多，并且開采高度逐漸增大。深部開采和大采高開采對(duì)采場圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)。隨著開采深度和采高的增加，工作面煤壁失穩(wěn)現(xiàn)象愈發(fā)突出，給工作面人員安全和生產(chǎn)效率的提高帶來嚴(yán)重威脅。

針對(duì)工作面煤壁破壞問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究工作且取得了顯著的成效。經(jīng)過多年的發(fā)展，對(duì)煤壁破壞的關(guān)鍵因素已達(dá)成共識(shí)，認(rèn)為煤體的性質(zhì)、采高、煤層傾角、支架工況、推進(jìn)速度等因素是影響煤壁穩(wěn)定性的主要因素[2-6]。在煤壁破壞機(jī)理方面，有學(xué)者根據(jù)煤壁的應(yīng)力環(huán)境不同，提出了煤壁壓剪破話、拉剪破壞、拉裂破壞等3種煤壁破壞形式，認(rèn)為在硬煤煤壁容易發(fā)生后兩種破壞方式[7];有學(xué)者以卸荷巖體力學(xué)和斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，建立了煤壁穩(wěn)定性力學(xué)模型，認(rèn)為煤壁失穩(wěn)是由于煤體內(nèi)裂隙擴(kuò)展、聯(lián)合導(dǎo)致的[8];有學(xué)者將滑移線理論引入煤壁穩(wěn)定性分析中，得到了煤壁破壞的潛在范圍[9]。在煤壁破壞防治方法方面，有學(xué)者認(rèn)為軟煤層可以通過煤層合理注水來提高煤體的黏聚力和抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而提高煤壁的穩(wěn)定性[10-11];有學(xué)者認(rèn)為煤壁破壞是由于煤壁壓力過大造成的，所以通過提高支架工作阻力和剛度可有效緩解煤壁壓力，減少煤壁破壞發(fā)生[12-13];有學(xué)者認(rèn)為通過化學(xué)漿液聚氨酯、樹脂漿、波雷因、新型無機(jī)注漿材料、超細(xì)水泥、高水速凝材等漿液對(duì)煤壁進(jìn)行注漿加固，可有效提高煤壁煤體強(qiáng)度[14-20];也有學(xué)者認(rèn)為通過使用木錨桿、玻璃纖維錨桿加固煤壁，可有效防治煤壁破壞[21-22];近年來，有學(xué)者提出了“棕繩+注漿”柔性加固技術(shù)加固煤壁，通過構(gòu)建柔性棕繩-漿液-煤體本構(gòu)模型，理論上闡明了柔性材料的適用性，并通過工程應(yīng)用，很好得提高了煤壁的完整性和穩(wěn)定性[23-24]。在國外主要是露天開采和井工柱式體系開采，長壁工作面很少，因此他們主要研究煤柱的破壞。在美國煤炭地下開采中，認(rèn)為當(dāng)煤柱高度超過2.40～4.05 m時(shí)[25-26]，煤柱會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象;有學(xué)者認(rèn)為煤柱失穩(wěn)主要是由于節(jié)理貫通造成的[27];也有學(xué)者認(rèn)為當(dāng)煤柱的頂?shù)装鍙?qiáng)度高于煤柱本身強(qiáng)度時(shí)，煤柱失穩(wěn)形式可能會(huì)有4種:壓剪滑移型、重力滑移型、豎向?qū)恿研秃蜕陈┬蚚28]。

綜上所述，通過提高支架工作阻力和支架剛度可有效緩解煤壁破壞的發(fā)生，可作為常規(guī)的技術(shù)手段。但是當(dāng)煤層所處應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜時(shí)，如過斷層期間，常規(guī)的技術(shù)手段往往難以取得較好的效果，因此需要采取注漿、錨桿加固、柔性加固等非常規(guī)技術(shù)手段。然而傳統(tǒng)的煤壁注漿加固或錨桿加固，或存在支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)距離短等問題(竹錨桿、木錨桿等)，或存在成本高、工序復(fù)雜等問題(注漿加固、玻璃鋼錨桿等)。新提出的煤壁柔性加固技術(shù)，柔性棕繩可以克服錨桿不易被切割的缺點(diǎn)，柔性棕繩和漿液的聯(lián)合使用又可以降低注漿成本，并且經(jīng)過工程應(yīng)用取得了良好的效果。應(yīng)用表明:一方面柔性棕繩較大的延伸率可以適應(yīng)煤壁的大變形[24];另一方面由于柔性棕繩具有較強(qiáng)的韌性和較大的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)煤壁破壞時(shí)，柔性棕繩可以懸掛片落煤塊，從而防止煤塊滑入工作面對(duì)人員安全造成威脅。因此研究煤壁柔性加固技術(shù)作用機(jī)理、確定柔性加固參數(shù)、開發(fā)低成本的注漿材料，可以更加科學(xué)的指導(dǎo)柔性加固技術(shù)施工，進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

1 煤壁柔性加固技術(shù)介紹

煤炭的深部開采和復(fù)雜條件開采(構(gòu)造發(fā)育、大傾角等)導(dǎo)致采動(dòng)應(yīng)力場復(fù)雜，采動(dòng)擾動(dòng)較大，煤壁破壞表現(xiàn)出一定的不可控性。當(dāng)采用增加支架工作阻力等常規(guī)措施效果不理想時(shí)，可采用煤壁柔性加固技術(shù)作為非常規(guī)技術(shù)手段，該方法可以避免片落煤體滑入工作面，從而消除對(duì)人員安全和生產(chǎn)的影響，達(dá)到煤壁破壞的治理目的。

經(jīng)過大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)，劍麻白棕繩具有較強(qiáng)的抗拉能力、耐酸堿腐蝕能力和耐摩擦等優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)。如果能將劍麻白棕繩代替錨桿固定在煤壁一定深度處，一方面增強(qiáng)煤體的強(qiáng)度和整體性，當(dāng)煤壁發(fā)生破壞時(shí)，柔性棕繩可以將片落的煤體懸掛，這樣就能避免滑體涌入工作面，達(dá)到治理目的。基于此將劍麻白棕繩定義為柔性材料，將柔性棕繩配合注漿管對(duì)煤壁加固的技術(shù)定義為柔性加固技術(shù)，即:在煤壁中打孔，然后將一定直徑的棕繩和注漿管綁在一起送至孔底，最后注入漿液，使柔性棕繩-漿液-煤體形成柱狀的全長錨固體;當(dāng)煤壁發(fā)生破壞時(shí)，棕繩可以控制滑體，使滑體不進(jìn)入工作面，達(dá)到不影響人員安全和生產(chǎn)的目的(圖1)。

圖1 煤壁柔性加固示意Fig.1 Schematic diagram of flexible support

2 煤壁柔性加固機(jī)理實(shí)驗(yàn)

為了明確柔性加固技術(shù)的作用機(jī)理及柔性棕繩的作用機(jī)制，設(shè)計(jì)了3臺(tái)三維相似模擬實(shí)驗(yàn)，采用控制變量法，分別研究煤壁無加固條件下煤壁破壞特征(圖2(a))、煤壁注漿加固條件下煤壁破壞特征(圖2(b))、煤壁柔性加固條件下煤壁破壞特征(圖2(c))，通過監(jiān)測各條件下煤壁橫向變形特征(圖2)及煤壁破壞片落形態(tài)等評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)效果。

圖2 三維相似模擬實(shí)驗(yàn)Fig.2 Three-dimensional similar simulation experiment

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

本實(shí)驗(yàn)所采用的設(shè)備為自主設(shè)計(jì)的三維相似模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)箱體尺寸為長×寬×高=0.8 m×0.8 m×0.8 m，相似材料采用沙子、石膏、石灰、水按照9∶0.5∶0.5配制具有一定強(qiáng)度的煤體，水的質(zhì)量設(shè)計(jì)為總質(zhì)量的7%。設(shè)幾何相似比為1∶10，動(dòng)力相似比為1∶1.6，模擬工作面采高為5 m。

實(shí)驗(yàn)步驟:① 完成模型鋪設(shè)和設(shè)備安裝(千斤頂及壓力盒);② 按照分級(jí)加載原則，采用手動(dòng)液壓泵，每次加壓1 MPa;③ 每次加壓后，采用手持式激光測距儀測量煤壁橫向變形量及頂板下沉量等數(shù)據(jù)并記錄。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

煤壁破壞前，隨著煤壁壓力的增大，煤壁橫向水平變形逐漸增大(圖3)。從變形趨勢可知，煤壁柔性加固條件下，橫向變形量小于煤壁注漿加固和煤壁無加固條件下的變形量。從數(shù)據(jù)特征可知，煤壁無加固條件下，當(dāng)頂板壓力增大到B1點(diǎn)時(shí)，煤壁發(fā)生破壞，此時(shí)頂板壓力為12 MPa，煤壁的橫向變形量為17 mm;煤壁注漿加固條件下，當(dāng)頂板壓力增大到B2點(diǎn)時(shí)，煤壁發(fā)生破壞，此時(shí)頂板壓力為11 MPa，煤壁的橫向變形量為11 mm;煤壁柔性加固條件下，當(dāng)頂板壓力增大到B3點(diǎn)時(shí)，煤壁發(fā)生破壞，此時(shí)頂板壓力為13 MPa，煤壁的橫向變形量為13 mm。

圖3 頂板壓力作用下煤壁橫向變形特征Fig.3 Horizontal deformation characteristics of face with roof loading

煤壁破壞后，煤壁無加固條件下煤壁破壞深度為57 mm(圖3中A1)，煤壁注漿加固條件下煤壁破壞深度為40 mm(圖3中A2)，煤壁柔性加固條件下煤壁破壞深度為20 mm(圖3中A3)。所以柔性加固相對(duì)于注漿加固條件下破壞深度減小了50%，相對(duì)于煤壁無加固條件下破壞深度減小了65%。說明在煤壁柔性加固作用范圍內(nèi)，可以有效的提高煤體的整體性，降低煤壁的破壞深度。從煤壁最終的破壞特征可知，當(dāng)煤壁無加固時(shí)，煤壁發(fā)生了整體破壞，中部和上部破壞深度均比較大(圖4(a));當(dāng)煤壁采用注漿加固時(shí)，通過橫向變形數(shù)據(jù)分析可知，漿液作用范圍內(nèi)，有效的減緩了煤壁破壞，但是當(dāng)煤壁壓力超過煤壁的極限承載能力時(shí)，依然無法避免破壞的發(fā)生(圖4(b));當(dāng)煤壁采用柔性加固時(shí)，在加固作用范圍內(nèi)，煤體的整體性得到了有效的提高，煤壁破壞深度大幅度降低，并且從圖4(c)可以看出，即使煤壁下部發(fā)生了嚴(yán)重的煤壁擠出破壞，但是在柔性加固影響范圍內(nèi)，煤體有效的凝聚在一起，發(fā)揮了柔性棕繩的作用(圖4(c))。

圖4 煤壁破壞形態(tài)特征Fig.4 Morphological failure characteristics of the face

3 煤壁柔性加固孔徑比確定方法實(shí)驗(yàn)

3.1 柔性棕繩與漿液的耦合機(jī)理

柔性加固煤壁作用機(jī)理與錨桿/索加固煤壁作用機(jī)理相似(圖5)，即利用摩擦力和棕繩-漿液之間的咬合力，一方面使柔性棕繩-漿液-煤體形成整體，另一方面當(dāng)煤壁破壞時(shí)可以克服片落塊體的重力，從而避免塊體滑入工作面，發(fā)揮柔性棕繩的作用。

圖5 柔性棕繩-漿液-煤體作用機(jī)制Fig.5 Flexible coir rope-slurry-coal body action mechanism

為使?jié){液更好的滲入煤體，形成柔性棕繩-漿液-煤體整體結(jié)構(gòu)，需要將漿液按照一定的壓力注入煤壁鉆孔中，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生柔性棕繩和漿液的相互擠壓力P1，漿液和煤體的相互擠壓力P2,擠壓力的產(chǎn)生可以增加柔性棕繩與漿液、漿液與煤體之間的摩擦力，圖5中a為柔性棕繩半徑，b為鉆孔半徑，根據(jù)文獻(xiàn)[29]可知，P1,P2和a,b有如下關(guān)系:

將b∶a定義為孔徑比，在注漿壓力一定的條件下，隨著孔徑比的增大，即漿液含量的增加，P1增大，P2減小(圖6)。說明當(dāng)煤壁發(fā)生破壞時(shí)，如果片落塊體的重力大于漿體與煤體之間的摩擦力，小于漿體與柔性棕繩之間的摩擦力，那么柔性棕繩-漿體形成的固結(jié)體將會(huì)從鉆孔中滑落，涌入工作面，從而無法發(fā)揮柔性棕繩的作用。所以漿液的含量并非越多越好，而是存在最佳的孔徑比，使柔性加固技術(shù)效果最好。

圖6 不同孔徑比條件下擠壓力變化特征Fig.6 Variation characteristics of extrusion force under different aperture ratios

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

基于上述理論分析，設(shè)計(jì)了“柔性棕繩、漿液、煤體”拉拔試驗(yàn)，以伺服試驗(yàn)機(jī)的拉力模擬片落滑體的下滑力，通過測試所得到的拉拔力大小評(píng)價(jià)試驗(yàn)效果。首先，采用控制變量法研究當(dāng)鉆孔孔徑為32 mm，柔性棕繩直徑分別為6～26 mm時(shí)(梯度為2 mm)柔性棕繩形成全長錨固時(shí)拉拔力大小;研究當(dāng)鉆孔孔徑為26 mm，柔性棕繩直徑分別為8～24 mm時(shí)(梯度為2 mm)柔性棕繩形成全長錨固時(shí)拉拔力大小。選擇孔徑為32 mm、柔性棕繩直徑為16 mm為例，實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)將煤塊破碎成直徑≤1 mm的煤粉，稱取煤粉6.8 kg,水泥6.8 kg，將煤粉、水泥按照1∶1的比例混合后加入2 720 mL水，攪拌均均并裝入混凝土試模中，制成200 mm×200 mm×100 mm的試件。

(2)將試件養(yǎng)護(hù)7 d后在試件中間位置鉆取直徑為32 mm、長度為100 mm的孔。

(3)然后將直徑20 mm的棕繩放入孔內(nèi)，然后將配置好的漿液(馬麗散A液、B液各50 g)注入孔中(圖7(a))，同時(shí)記錄漿液初凝時(shí)間。

(4)當(dāng)漿液凝固4 h后使用WAW-600B微機(jī)電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)(圖7(b))，測試?yán)瘟Α?/p>

(5)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程，完成上述實(shí)驗(yàn)。

然后，為進(jìn)一步驗(yàn)證柔性棕繩-漿液-煤體的耦合關(guān)系是影響柔性加固效果的關(guān)鍵因素，采用與上文相同的實(shí)驗(yàn)方法，采用控制變量法，將實(shí)驗(yàn)中的變量設(shè)置為鉆孔直徑，控制棕繩直徑不變，即實(shí)驗(yàn)選用20 mm棕繩，測試鉆孔孔徑為30～80 mm(梯度為10 mm)時(shí)拉拔力大小(圖7(c))。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在孔徑分別為32，26 mm的條件下，藍(lán)色標(biāo)志點(diǎn)和紅色標(biāo)志點(diǎn)分別為不同直徑棕繩條件下的對(duì)應(yīng)的拉拔力大小(圖8)。

圖7 實(shí)驗(yàn)過程Fig.7 Experiment process

圖8 不同直徑棕繩實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experiment results of different coir ropes

隨著棕繩直徑的增大，極限載荷均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，孔徑為32 mm時(shí)，采用18 mm棕繩極限載荷最大，效果最優(yōu);孔徑為26 mm時(shí)，采用16 mm棕繩極限載荷最大，效果最優(yōu)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在鉆孔直徑一定的條件下，隨著棕繩直徑的增加，棕繩與漿液的接觸面積不斷增大，從而棕繩與漿液的摩擦力不斷增加，宏觀上就表現(xiàn)為極限載荷的增大;但是當(dāng)棕繩直徑大于一定值時(shí)，隨著棕繩直徑的增大，漿液量不斷減少，雖然棕繩與漿液的接觸面積增大了，但是漿液與煤體之間的摩擦力較小，宏觀上就導(dǎo)致極限載荷的減小。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出最優(yōu)孔徑比不是一個(gè)確定的值，而是一個(gè)取值范圍，即圖8中圈定部分，當(dāng)鉆孔直徑為32 mm時(shí)，柔性棕繩直徑為14～20 mm時(shí)拉拔力最大，此時(shí)孔徑比為1.6～2.3;當(dāng)鉆孔直徑為26 mm時(shí)，柔性棕繩直徑為14～20 mm時(shí)拉拔力最大，此時(shí)孔徑比為1.3～1.9;取兩者交集可得當(dāng)孔徑比為1.6～1.9時(shí)，柔性加固技術(shù)都能取得較為理想的效果。

在驗(yàn)證孔徑比是影響柔性加固效果的關(guān)鍵因素實(shí)驗(yàn)中(圖9)，隨著孔徑比的增大，極限載荷先增大后減小，該趨勢與上文中不同棕繩直徑條件的的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。當(dāng)孔徑比介于1.5～2.0時(shí)，拉拔力呈增長趨勢。

圖9 不同孔徑比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experiment results of different apertures ratios

綜合以上兩組實(shí)驗(yàn)，取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交集得到最優(yōu)孔徑比區(qū)間為1.6～1.9，且孔徑比越接近1.9，柔性加固效果越好。

4 注漿材料特性試驗(yàn)與選擇

柔性加固技術(shù)在現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)采用的注漿材料是馬麗散，該材料的使用效果良好，但是馬麗散的使用成本高達(dá)2.5萬～3.2萬元/t，這在很大程度上提高了生產(chǎn)成本，所以如果能找到一種廉價(jià)注漿材料替代馬麗散，那就可以降低技術(shù)成本，使該技術(shù)更廣泛的工業(yè)化運(yùn)用。經(jīng)過大量的調(diào)研和分析對(duì)比，初步找到3種可以代替馬麗散的漿液:超細(xì)單液水泥漿液、超細(xì)水泥-水玻璃漿液、以及超細(xì)水泥-礦粉-水玻璃漿液。最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行注漿材料選擇，實(shí)驗(yàn)方法參照3.2節(jié)所述的“柔性棕繩、漿液、煤體”拉拔試驗(yàn)。

4.1 超細(xì)單液水泥漿特性

水泥漿液具有取材廣泛，價(jià)格低廉，凝固后強(qiáng)度大的優(yōu)勢，水泥漿適用到柔性加固技術(shù)中最大的問題是凝固時(shí)間，因此必須加入速凝劑來加快水泥漿液的凝固以滿足工程需求。該實(shí)驗(yàn)是水灰比為1∶1的條件下，不同速凝劑添加量時(shí)所對(duì)應(yīng)的極限載荷和凝固時(shí)間(圖10)。由圖10可知，極限載荷穩(wěn)定在0.5 kN;隨著速凝劑含量的增加，水泥漿液的凝固時(shí)間逐漸縮短，當(dāng)速凝劑含量為5%時(shí)，凝固時(shí)間為400 s，這足以滿足工程需要，因此為降低成本，如果使用超細(xì)單液水泥漿作為注漿材料，速凝劑的添加量控制在5%即可。

圖10 不同速凝劑添加量凝固特性Fig.10 Solidification characteristics of different accelerator contents

4.2 超細(xì)水泥-水玻璃漿液

在水泥漿液中加入水玻璃，不僅可以加快水泥的凝固，而且水泥和水玻璃發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成水化硅酸鈣，該結(jié)實(shí)體不僅強(qiáng)度大，而且具有一定的彈性特性，這種性質(zhì)的結(jié)實(shí)體可以增強(qiáng)柔性棕繩-漿液-煤體的協(xié)調(diào)變形特性。

控制水灰比為1∶1，改變水玻璃的添加量，圖11為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。隨著水玻璃添加量的增加，極限載荷不斷減小;當(dāng)水玻璃的含量為10%時(shí)，最大載荷是4.2 kN，約為相同水灰比下單液水泥漿的8倍，當(dāng)水玻璃含量由10%增加到30%時(shí)，載荷下降最快;當(dāng)含量由30%增加到70%時(shí)，極限 荷趨于穩(wěn)定，在1.8 kN附近波動(dòng)，但是仍大于單液水泥漿的0.5 kN;當(dāng)含量超過70%時(shí)，極限載荷明顯降低(圖11)。當(dāng)水玻璃含量不超過70%時(shí)，凝固時(shí)間小于300 s，平均凝固時(shí)間94 s，較短的凝固時(shí)間說明該材料必須采用雙液注漿的方式(圖11)。綜上所述，適量的水玻璃不僅可以縮短水泥漿液的凝固時(shí)間，更可以提高凝固后結(jié)實(shí)體的強(qiáng)度，因此選擇雙液注漿的方式，選用超細(xì)水泥-水玻璃漿液有利于發(fā)揮柔性加固技術(shù)的優(yōu)勢。

圖11 不同水玻璃含量下凝固特性Fig.11 Solidification characteristics of different silicate contents

4.3 超細(xì)水泥-礦粉-水玻璃漿

綠色注漿材料包括粉煤灰，礦粉等，如果在注漿材料中加入該材料，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)廢棄物的利用，還可以節(jié)約成本。因此設(shè)想將超細(xì)水泥-礦粉-水玻璃混合組成復(fù)合注漿材料。

實(shí)驗(yàn)方案:以礦粉為例，將超細(xì)水泥和礦粉組成混合物，改變礦粉的添加比例，混合后的水灰比保持為1∶1，然后控制水玻璃的添加量為50%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同礦粉含量下凝固特性Fig.12 Solidification characteristics of different ground slag contents

當(dāng)?shù)V粉的添加量不超過30%時(shí)，極限載荷穩(wěn)定在1.6 kN，對(duì)載荷影響較小，當(dāng)?shù)V粉的添加量超過30%時(shí)，極限載荷急劇減小(圖12);礦粉的添加量小于70%時(shí)，凝固時(shí)間小于300 s，平均凝固時(shí)間155 s，大于相同比例條件下超細(xì)水泥-水玻璃的凝固時(shí)間，由此可以說明礦粉的添加可以起到緩凝劑的作用。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，超細(xì)水泥漿凝固后極限載荷約為0.5 kN;超細(xì)水泥-水玻璃漿液，當(dāng)水玻璃的添加量小于10%時(shí)，水玻璃含量對(duì)極限載荷影響較小，可以忽略;超細(xì)水泥-礦粉-水玻璃漿液，當(dāng)?shù)V粉的添加量不超過30%時(shí)，礦粉的添加對(duì)極限載荷的影響較小，可以忽略。因此認(rèn)為，采用超細(xì)水泥-礦粉-水玻璃混合材料作為柔性加固技術(shù)的注漿材料，礦粉添加量控制為30%，水玻璃的添加量為10%，此時(shí)形成的結(jié)實(shí)體不僅具有一定的彈性特征，便于實(shí)現(xiàn)煤體-結(jié)實(shí)體-柔性材料的協(xié)調(diào)變形性，而且混合材料的成本約為5 000 t，可以大幅度降低技術(shù)成本。

5 小孔徑注漿方案優(yōu)化

目前在煤壁柔性加固技術(shù)應(yīng)用中，所用的注漿管為圓形注漿管配合柔性棕繩使用(圖13(a))，但是應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在煤壁上鉆孔的工藝較為復(fù)雜，特別是孔徑超過32 mm時(shí)，通常需要大型鉆機(jī)完成鉆孔工作，這增加了柔性加固技術(shù)的施工難度，進(jìn)一步的限制了柔性加固技術(shù)的使用。因此為了降低施工難度，開發(fā)了半環(huán)形注漿管，配合柔性棕繩使用，可以大幅度降低所需鉆孔直徑(圖13(b),(c))。

6 工程應(yīng)用

金暉瑞隆煤礦煤層起伏較大，煤的硬度較低，且采用綜放開采，礦壓顯現(xiàn)比較明顯，在仰斜開采階段，煤壁破壞問題成為影響生產(chǎn)的主要因素(圖14(a))。在煤壁破壞比較嚴(yán)重的區(qū)域，采用柔性加固技術(shù)加固煤壁。由于煤壁柔性加固作用機(jī)理與錨桿/索加固煤壁作用機(jī)理相似，因此參照礦井常用的錨桿/索規(guī)格，確定選用20 mm直徑棕繩;根據(jù)上文研究可知當(dāng)孔徑比為1.9時(shí)，柔性加固效果最佳，從而確定了鉆孔孔徑應(yīng)為38 mm;常規(guī)工作面，煤壁前方破裂區(qū)域?qū)挾葹?～5 m，由此確定錨固深度為5 m;根據(jù)該礦井以往的煤壁注漿加固工程經(jīng)驗(yàn)，確定了鉆孔角度為5°，孔間隔為1.5 m，注漿壓力為1～2 MPa。從而得到了柔性加固參數(shù)(表1)。施工工藝:① 在實(shí)施方案前，確保施工地段無安全隱患;② 在煤壁上，按照一定的孔徑、孔深和孔角施工方案;③ 將柔性棕繩與注漿管捆綁并送至孔底;④ 最后，封孔，注漿即可。通過柔性加固，煤體強(qiáng)度和整體性得到有效提高，結(jié)合工作面頂板管理，控制住了煤壁破壞，保證了工作面安全、高效回采(圖14(b))。

圖13 小孔徑注漿管Fig.13 Small aperture grouting pipe

圖14 柔性加固前后煤壁變化Fig.14 Characteristics of coal wall changes before and after flexible reinforcement

孔徑/mm孔深/m孔角/(°)棕繩直徑/mm孔徑比注漿壓力/MPa孔密度漿液3865201.91～21/1.5馬麗散

7 結(jié) 論

(1)基于傳統(tǒng)的煤壁破壞治理方法，提出了煤壁全長錨固柔性加固技術(shù);設(shè)計(jì)了煤壁加固三維相似模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過煤壁水平變形特征和破壞形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)煤壁柔性加固相對(duì)于注漿加固，破壞深度減小了65%;相對(duì)于煤壁不加固，破壞深度減小了75%;揭示了柔性棕繩可提高煤體整體性的作用機(jī)制。

(2)通過“柔性棕繩、漿液、煤體”拉拔實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)孔徑比為1.6～1.9時(shí)，煤壁柔性加固可取得較好效果，確定了柔性加固參數(shù);開發(fā)了“超細(xì)水泥-礦粉-水玻璃”混合注漿材料(礦粉添加量≤30%，水玻璃添加量≤10%)，降低了柔性加固技術(shù)成本，優(yōu)化了柔性加固工藝。

(3)開發(fā)了半環(huán)形注漿管，配合柔性棕繩使用，大幅降低了施工難度;通過在瑞隆煤礦仰斜開采工作面運(yùn)用柔性加固技術(shù)，煤壁的整體性得到了有效提高，煤壁破壞問題得到緩解，實(shí)現(xiàn)了安全高效回采。