復雜條件下工作面煤壁注漿加固技術實踐

于 水 王 悅 黃克軍

(1. 陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司，陜西省西安市，710065；2. 西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054)

煤壁片幫是煤體在礦山壓力作用下破碎后滑塌的一種礦壓顯現現象。大量開采實踐表明，煤壁片幫可能砸傷井下作業(yè)人員，損壞工作面設備，降低開機率，同時還會加大支架的端面距，導致架前無支護空頂區(qū)域范圍擴大。在頂板巖性比較破碎的情況下，會進一步加劇頂板條件惡化，造成架前頂板冒漏，引發(fā)頂板事故。同時，煤壁片幫會直接導致綜采工作面產量和效益降低、使綜采工作面設備無法發(fā)揮生產潛能。因此，對工作面煤壁片幫進行研究具有重要的現實意義。

本文針對某礦S3012工作面頂板漏矸嚴重、割煤后出現煤壁片幫的情況，分析了煤壁片幫、冒頂的機理及其影響因素，并在此基礎上提出了采用注馬麗散加固煤體的控制方法及相應技術措施。

1 工作面概況

S3012工作面走向長度752 m；傾斜長最大為141 m，最小為120 m，平均斜長138 m；煤層傾角最大為6°，最小為2°，平均4°，煤層實際傾斜面積105537 m2。

由于礦井地質條件復雜，受多種因素影響，S3012工作面在回采至2#探煤巷時推進緩慢，煤壁片幫嚴重，頂板漏矸嚴重，給礦井安全生產帶來較大困難。為保證工作面安全順利的回采，必須對S3012工作面在復雜條件下工作面治理方案進行研究，對工作面煤體采取合理的治理措施，保證工作面安全、順利開采。

2 工作面煤壁片幫、冒頂原因分析

2.1 工作面煤壁破壞影響因素分析

根據現場情況分析，造成S3012工作面煤壁片幫、頂板漏矸的主要影響因素為：

(1)地質構造對工作面回采的影響。根據實測數據可以發(fā)現，S3012工作面存在大量斷層，同時工作面中部位于向斜軸部，對工作面影響較大。

(2)破碎頂板對工作面的影響。S3012工作面78#支架以北頂部留有超過2 m的頂煤，割煤后出現煤壁片垮，進而出現冒頂。

(3)工作面煤體軟弱的影響。S3012工作面煤層厚度為3.5～6 m，煤層硬度f=1，煤層極為松軟，極易片垮，最多時片垮達2 m，給工作面頂板管理帶來極大的難度，工作面不能連續(xù)推進,特別是在S3012工作面通過構造時，工作面煤壁片幫較嚴重。

(4)上保護煤層開采的影響。S3012工作面機尾35 m段對應上覆S3011工作面采空區(qū)，兩層煤平均間距35 m，如圖1所示，S3012工作面在2#探煤巷位置時，正處于上部保護層邊緣，而上保護層僅保護了風巷及其以北30 m范圍。在S3011工作面回采后，其應力向煤巖層深部轉移，形成一個應力增高區(qū)，使得S3012工作面傾斜方向105 m范圍位于S3011工作面應力升高區(qū)域，造成S3012工作面在回采過程中應力較大，煤壁片幫嚴重，頂板管理困難，影響礦井生產。

(5)回采工藝的影響。工作面回采時采用仰斜開采，工作面巷道傾角平均8°，易引起煤壁松軟、片幫等現象。

圖1 S3011工作面與S3012空間關系示意圖

(6)地表地形的影響。2#探煤巷對應地表處有一南北向的季節(jié)性溪溝，溪溝兩側存在陡坎，工作面在這一區(qū)域內埋深變化較大。

2.2 工作面煤壁破壞形式

工作面煤壁片幫主要形式有重力滑落式片幫、壓剪式片幫和橫拱形片幫。片幫形式不同，片幫的深度也不相同。重力滑落式片幫最為常見，片幫深度較??；壓剪式片幫主要發(fā)生在頂板來壓期間，片幫深度大，易造成工作面空頂距過大，引發(fā)端面冒頂事故；橫拱形片幫在工作面內較少發(fā)生，多發(fā)生于巷道內。

S3012工作面礦壓觀測期間發(fā)生片幫較為嚴重，基本上每刀均有不同程度的片幫發(fā)生。片幫統(tǒng)計結果如下：

按片幫深度統(tǒng)計：片幫深度大于1 m的占片幫數的20%，大于2 m的僅占0.6%；按片幫高度統(tǒng)計：片幫高度大于2 m的占26%，1～2 m的占46%；按片幫寬度統(tǒng)計：片幫寬度大于5架的占22.9%，小于2架的占45.8%。由此可以看出，S3012工作面煤壁片幫主要集中在煤壁的頂部與中部，工作面煤壁受力復雜，片幫嚴重，各種片幫形式均有出現。

2.3 煤壁片幫機理分析

根據現場煤壁片幫的形式及相關研究分析可知，拉裂破壞和剪切破壞是其主要原因。

2.3.1 拉裂破壞

拉裂破壞大部分發(fā)生在脆性煤體中，煤壁在自重及上覆巖層壓力作用下，會在煤壁內產生橫向拉應力。由于脆性煤體本身變形量較小，無法通過煤壁變形來釋放橫向拉應力，當橫向拉應力超過煤壁抗拉強度時，煤壁即會發(fā)生拉裂破壞，產生片幫現象。

2.3.2 剪切破壞

松軟煤層的抗剪強度較低，當煤壁在自重及覆巖壓力作用下產生橫向拉應力時，會發(fā)生蠕動變形，從而緩解或釋放橫向拉應力，最終由于煤壁內剪切應力大于其抗剪強度而發(fā)生剪切滑動破壞。

由上述分析可知，煤壁的片幫無論是拉裂破壞還是剪切破壞都與煤體的覆巖壓力及煤體自身的物理力學性質有關。因此，降低煤壁所受覆巖壓力，改變煤體物理力學性質，提高煤體自身強度是防止煤壁片幫的根本途徑。

3 注漿加固方案

3.1 注漿材料選擇

注漿材料一般有水泥、水玻璃、馬麗散等。對于普通煤巖體加固劑，尤其是水泥基材料，主要依靠泵壓作用下的濃度滲透壓力差進行滲透；而馬麗散的最大優(yōu)點是能夠發(fā)生膨脹，在煤巖體裂隙中產生二次滲透壓力，使得漿液向四周擴散，其膨脹倍數可達到原體積的1.5～2.5倍，這樣的擴散范圍和充填密實度要比普通材料高出數倍，同時能夠節(jié)約注漿加固成本；另外，水泥、水玻璃之類的材料結石體抗剪強度、抗拉強度低，粘結力差，具有腐蝕性，不穩(wěn)定，且操作工藝復雜，工藝要求高，不方便井下工程操作；而馬麗散固結體抗壓強度、抗剪強度、抗拉強度高，操作工藝簡單，對周邊作業(yè)環(huán)境要求低，適合大部分井下作業(yè)環(huán)境。

綜上所述，選用馬麗散作為注漿加固材料，其主要技術參數見表1。

表1 馬麗散注漿材料技術參數表

3.2 注漿孔數及布置

3.2.1 注漿孔數

根據煤壁破碎程度，注漿孔數按煤壁裂隙特征分為3種情況進行確定。注漿鉆孔數可依據表2選取。對于嚴重破碎圍巖，注漿孔數一般為6～15個，注漿孔布置可以根據現場實際情況加以調整。

表2 工作面注漿孔數選擇依據

3.2.2 注漿段位置

根據S3012工作面煤壁和頂板破碎情況，選擇S3012工作面60#～96#支架之間和風巷局部段作為馬麗散注漿加固段，如圖2所示。

圖2 注漿段位置示意圖

3.2.3 注漿孔布置

S3012工作面注漿鉆孔按單眼平行布置60#～96#支架段，垂直于煤壁。注漿鉆孔孔間距5～6 m，注漿鉆孔深度4 m，孔徑42 mm。注漿孔布置如圖3所示。

圖3 注漿鉆孔布置圖

3.3 注漿工藝參數

注漿工藝參數包括注漿壓力、漿液注入量、漿液擴散半徑等。由于注漿工程屬于隱蔽工程，其參數的計算較為困難，一般可以根據經驗公式進行參數計算和確定。

在雙層模型中，系統(tǒng)調度是上層決策者，其目標是平滑有功負荷曲線。上層模型的目標函數見式(8)，由兩部分組成：

3.3.1 注漿壓力

注漿壓力是指注漿時克服漿液流動阻力并使?jié){液擴散一定范圍所需的動力。考慮到巖層裂隙阻力，初始壓力為3 MPa，終止壓力為4～5 MPa。使用馬麗散注漿加固，注漿壓力需根據現場實際情況確定，一般注漿壓力不小于5 MPa。

3.3.2 漿液注入量與催化劑用量

單孔漿液注入量按下式計算：

(1)

式中：Q——單孔漿液注入量，m3；

λ——漿液損失系數，一般取1.2～1.5；

H1——漿液段高，m；

η——巖層裂隙率，一般取0.5%～3%；

β——漿液在裂隙內的有效充填系數，一般取0.8%～0.9%；

m——結石率，%。

根據公式計算及現場實際經驗，漿液注入量參考值見表3。

表3 破碎巖層漿液注入量參考值

馬麗散催化劑與馬麗散樹脂的混合配比：質量比為1∶1.17，體積比為1∶1。

3.3.3 注漿擴散半徑

通過對漿液的膠凝速度、滲透性和注漿終壓進行調整，確定注漿有效范圍為開挖輪廓線外4 m范圍。

3.4 注漿加固工藝

注漿工藝流程包括：進場前敲幫找頂→標孔→鉆孔→檢查鉆孔質量→安裝注漿管及封孔部件→封孔→準備漿液→開泵注漿→凝固→檢查注漿質量→驗收。

采用?42 mm鉆頭的風動鉆機施工注漿孔，連接?4 mm帶止?jié){塞的注漿管。注漿時雙液進入注漿管遇芯片受阻，壓力上升，漿液通過花管小孔壓漲橡膠止?jié){塞，使其緊貼注漿孔的孔壁，壓力再上升，漿液壓破芯片進入加固地層，不斷擴散，達到設計終壓后停止注漿。

4 現場注漿加固實施效果

S3012工作面在實施煤壁片幫防治措施后，煤壁片幫情況得到了很大的改善，煤壁片幫防治效果顯著。

4.1 提高煤壁整體強度

馬麗散注漿材料進入煤體后，迅速發(fā)生反應，在膨脹作用力下產生二次滲壓，將馬麗散壓入并充滿微小裂隙。根據現場情況，漿液注入20 min后可產生早期強度，且在較短時間內產生極好的結合力，3～4 h后便有較高強度，24 h后可達到最終強度。在注漿過程中，注漿壓力較低，漿液滲透能力較強。注漿15 min后，發(fā)現距離注漿孔約1.2 m處有漿液滲出，稍微停頓并做一些簡單止?jié){處理，仍可繼續(xù)灌注。由此可以看出，該漿液能將破碎煤體粘結成樹脂膠結體，以良好的可注性充填空隙封閉通道，提高煤體整體強度，增強了煤壁對頂板的支撐作用，從而有效地防止了煤壁片幫。注漿前后片幫對比情況見表4。

表4 注漿前后對比表

4.2 日平均進刀數大幅提高

S3012工作面注射馬麗散時間為2017年2月17日～3月3日。注射馬麗散前，工作面機尾70#～98#支架段煤壁片幫嚴重，頂板破碎，需大量時間處理工作面片幫漏矸。2月8日割煤0.7刀、9日割煤0.7刀、10日割煤0.5刀、11日割煤2.3刀、12～14日未割、15日割煤0.5刀、16日割煤0.5刀。3月4日開始，工作面條件已恢復正常，煤壁及頂板條件良好，之后停止注射馬麗散。3月4日割煤3.3刀、5日割煤3.5刀、6日割煤2刀(中班檢修電纜未割煤)。

4.3 經濟效益明顯

S3012工作面2017年3月份比2月多產原煤逾2萬t，按照100元/t的利潤計算，多創(chuàng)造經濟效益200余萬元，除去馬麗散注漿費用90萬元，每月實際多創(chuàng)造經濟效益110余萬元。

5 結論

(1)煤壁片幫、冒頂是制約S3012工作面正常生產的主要因素?？刂破淦瑤兔绊數闹饕悸肥羌庸堂罕?，提高煤壁附近煤體的整體強度，利用煤壁對頂板進行有效支撐。

(2)通過對S3012工作面煤壁片幫冒頂影響因素進行分析，得出了地質構造、破碎頂板、煤體軟弱、上保護層開采、回采工藝和地表地形是影響煤壁片幫冒頂的主要因素。

(3)提出了選用馬麗散注漿加固方案，并設計了注漿方案及工藝參數。

(4)現場實踐表明，馬麗散注漿加固技術改善了工作面煤壁的穩(wěn)定性，有效地控制了片幫冒頂，保障了工作面正常循環(huán)作業(yè)，經濟效益明顯。為同類條件下煤壁片幫冒頂的治理提供了參考。

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