复杂条件下工作面煤壁注浆加固技术实践

2018-05-31黄克军

中国煤炭 2018年5期

于水王悦黄克军

(1. 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西省西安市，710065；2. 西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054)

煤壁片帮是煤体在矿山压力作用下破碎后滑塌的一种矿压显现现象。大量开采实践表明，煤壁片帮可能砸伤井下作业人员，损坏工作面设备，降低开机率，同时还会加大支架的端面距，导致架前无支护空顶区域范围扩大。在顶板岩性比较破碎的情况下，会进一步加剧顶板条件恶化，造成架前顶板冒漏，引发顶板事故。同时，煤壁片帮会直接导致综采工作面产量和效益降低、使综采工作面设备无法发挥生产潜能。因此，对工作面煤壁片帮进行研究具有重要的现实意义。

本文针对某矿S3012工作面顶板漏矸严重、割煤后出现煤壁片帮的情况，分析了煤壁片帮、冒顶的机理及其影响因素，并在此基础上提出了采用注马丽散加固煤体的控制方法及相应技术措施。

1 工作面概况

S3012工作面走向长度752 m；倾斜长最大为141 m，最小为120 m，平均斜长138 m；煤层倾角最大为6°，最小为2°，平均4°，煤层实际倾斜面积105537 m2。

由于矿井地质条件复杂，受多种因素影响，S3012工作面在回采至2#探煤巷时推进缓慢，煤壁片帮严重，顶板漏矸严重，给矿井安全生产带来较大困难。为保证工作面安全顺利的回采，必须对S3012工作面在复杂条件下工作面治理方案进行研究，对工作面煤体采取合理的治理措施，保证工作面安全、顺利开采。

2 工作面煤壁片帮、冒顶原因分析

2.1 工作面煤壁破坏影响因素分析

根据现场情况分析，造成S3012工作面煤壁片帮、顶板漏矸的主要影响因素为：

(1)地质构造对工作面回采的影响。根据实测数据可以发现，S3012工作面存在大量断层，同时工作面中部位于向斜轴部，对工作面影响较大。

(2)破碎顶板对工作面的影响。S3012工作面78#支架以北顶部留有超过2 m的顶煤，割煤后出现煤壁片垮，进而出现冒顶。

(3)工作面煤体软弱的影响。S3012工作面煤层厚度为3.5～6 m，煤层硬度f=1，煤层极为松软，极易片垮，最多时片垮达2 m，给工作面顶板管理带来极大的难度，工作面不能连续推进,特别是在S3012工作面通过构造时，工作面煤壁片帮较严重。

(4)上保护煤层开采的影响。S3012工作面机尾35 m段对应上覆S3011工作面采空区，两层煤平均间距35 m，如图1所示，S3012工作面在2#探煤巷位置时，正处于上部保护层边缘，而上保护层仅保护了风巷及其以北30 m范围。在S3011工作面回采后，其应力向煤岩层深部转移，形成一个应力增高区，使得S3012工作面倾斜方向105 m范围位于S3011工作面应力升高区域，造成S3012工作面在回采过程中应力较大，煤壁片帮严重，顶板管理困难，影响矿井生产。

(5)回采工艺的影响。工作面回采时采用仰斜开采，工作面巷道倾角平均8°，易引起煤壁松软、片帮等现象。

图1 S3011工作面与S3012空间关系示意图

(6)地表地形的影响。2#探煤巷对应地表处有一南北向的季节性溪沟，溪沟两侧存在陡坎，工作面在这一区域内埋深变化较大。

2.2 工作面煤壁破坏形式

工作面煤壁片帮主要形式有重力滑落式片帮、压剪式片帮和横拱形片帮。片帮形式不同，片帮的深度也不相同。重力滑落式片帮最为常见，片帮深度较小；压剪式片帮主要发生在顶板来压期间，片帮深度大，易造成工作面空顶距过大，引发端面冒顶事故；横拱形片帮在工作面内较少发生，多发生于巷道内。

S3012工作面矿压观测期间发生片帮较为严重，基本上每刀均有不同程度的片帮发生。片帮统计结果如下：

按片帮深度统计：片帮深度大于1 m的占片帮数的20%，大于2 m的仅占0.6%；按片帮高度统计：片帮高度大于2 m的占26%，1～2 m的占46%；按片帮宽度统计：片帮宽度大于5架的占22.9%，小于2架的占45.8%。由此可以看出，S3012工作面煤壁片帮主要集中在煤壁的顶部与中部，工作面煤壁受力复杂，片帮严重，各种片帮形式均有出现。

2.3 煤壁片帮机理分析

根据现场煤壁片帮的形式及相关研究分析可知，拉裂破坏和剪切破坏是其主要原因。

2.3.1 拉裂破坏

拉裂破坏大部分发生在脆性煤体中，煤壁在自重及上覆岩层压力作用下，会在煤壁内产生横向拉应力。由于脆性煤体本身变形量较小，无法通过煤壁变形来释放横向拉应力，当横向拉应力超过煤壁抗拉强度时，煤壁即会发生拉裂破坏，产生片帮现象。

2.3.2 剪切破坏

松软煤层的抗剪强度较低，当煤壁在自重及覆岩压力作用下产生横向拉应力时，会发生蠕动变形，从而缓解或释放横向拉应力，最终由于煤壁内剪切应力大于其抗剪强度而发生剪切滑动破坏。

由上述分析可知，煤壁的片帮无论是拉裂破坏还是剪切破坏都与煤体的覆岩压力及煤体自身的物理力学性质有关。因此，降低煤壁所受覆岩压力，改变煤体物理力学性质，提高煤体自身强度是防止煤壁片帮的根本途径。

3 注浆加固方案

3.1 注浆材料选择

注浆材料一般有水泥、水玻璃、马丽散等。对于普通煤岩体加固剂，尤其是水泥基材料，主要依靠泵压作用下的浓度渗透压力差进行渗透；而马丽散的最大优点是能够发生膨胀，在煤岩体裂隙中产生二次渗透压力，使得浆液向四周扩散，其膨胀倍数可达到原体积的1.5～2.5倍，这样的扩散范围和充填密实度要比普通材料高出数倍，同时能够节约注浆加固成本；另外，水泥、水玻璃之类的材料结石体抗剪强度、抗拉强度低，粘结力差，具有腐蚀性，不稳定，且操作工艺复杂，工艺要求高，不方便井下工程操作；而马丽散固结体抗压强度、抗剪强度、抗拉强度高，操作工艺简单，对周边作业环境要求低，适合大部分井下作业环境。

综上所述，选用马丽散作为注浆加固材料，其主要技术参数见表1。

表1 马丽散注浆材料技术参数表

3.2 注浆孔数及布置

3.2.1 注浆孔数

根据煤壁破碎程度，注浆孔数按煤壁裂隙特征分为3种情况进行确定。注浆钻孔数可依据表2选取。对于严重破碎围岩，注浆孔数一般为6～15个，注浆孔布置可以根据现场实际情况加以调整。

表2 工作面注浆孔数选择依据

3.2.2 注浆段位置

根据S3012工作面煤壁和顶板破碎情况，选择S3012工作面60#～96#支架之间和风巷局部段作为马丽散注浆加固段，如图2所示。

图2 注浆段位置示意图

3.2.3 注浆孔布置

S3012工作面注浆钻孔按单眼平行布置60#～96#支架段，垂直于煤壁。注浆钻孔孔间距5～6 m，注浆钻孔深度4 m，孔径42 mm。注浆孔布置如图3所示。

图3 注浆钻孔布置图

3.3 注浆工艺参数

注浆工艺参数包括注浆压力、浆液注入量、浆液扩散半径等。由于注浆工程属于隐蔽工程，其参数的计算较为困难，一般可以根据经验公式进行参数计算和确定。

在双层模型中，系统调度是上层决策者，其目标是平滑有功负荷曲线。上层模型的目标函数见式(8)，由两部分组成：

3.3.1 注浆压力

注浆压力是指注浆时克服浆液流动阻力并使浆液扩散一定范围所需的动力。考虑到岩层裂隙阻力，初始压力为3 MPa，终止压力为4～5 MPa。使用马丽散注浆加固，注浆压力需根据现场实际情况确定，一般注浆压力不小于5 MPa。

3.3.2 浆液注入量与催化剂用量

单孔浆液注入量按下式计算：

(1)

式中：Q——单孔浆液注入量，m3；

λ——浆液损失系数，一般取1.2～1.5；

H1——浆液段高，m；

η——岩层裂隙率，一般取0.5%～3%；

β——浆液在裂隙内的有效充填系数，一般取0.8%～0.9%；

m——结石率，%。

根据公式计算及现场实际经验，浆液注入量参考值见表3。

表3 破碎岩层浆液注入量参考值

马丽散催化剂与马丽散树脂的混合配比：质量比为1∶1.17，体积比为1∶1。

3.3.3 注浆扩散半径

通过对浆液的胶凝速度、渗透性和注浆终压进行调整，确定注浆有效范围为开挖轮廓线外4 m范围。

3.4 注浆加固工艺

注浆工艺流程包括：进场前敲帮找顶→标孔→钻孔→检查钻孔质量→安装注浆管及封孔部件→封孔→准备浆液→开泵注浆→凝固→检查注浆质量→验收。

采用ø42 mm钻头的风动钻机施工注浆孔，连接ø4 mm带止浆塞的注浆管。注浆时双液进入注浆管遇芯片受阻，压力上升，浆液通过花管小孔压涨橡胶止浆塞，使其紧贴注浆孔的孔壁，压力再上升，浆液压破芯片进入加固地层，不断扩散，达到设计终压后停止注浆。

4 现场注浆加固实施效果

S3012工作面在实施煤壁片帮防治措施后，煤壁片帮情况得到了很大的改善，煤壁片帮防治效果显著。

4.1 提高煤壁整体强度

马丽散注浆材料进入煤体后，迅速发生反应，在膨胀作用力下产生二次渗压，将马丽散压入并充满微小裂隙。根据现场情况，浆液注入20 min后可产生早期强度，且在较短时间内产生极好的结合力，3～4 h后便有较高强度，24 h后可达到最终强度。在注浆过程中，注浆压力较低，浆液渗透能力较强。注浆15 min后，发现距离注浆孔约1.2 m处有浆液渗出，稍微停顿并做一些简单止浆处理，仍可继续灌注。由此可以看出，该浆液能将破碎煤体粘结成树脂胶结体，以良好的可注性充填空隙封闭通道，提高煤体整体强度，增强了煤壁对顶板的支撑作用，从而有效地防止了煤壁片帮。注浆前后片帮对比情况见表4。

表4 注浆前后对比表

4.2 日平均进刀数大幅提高

S3012工作面注射马丽散时间为2017年2月17日～3月3日。注射马丽散前，工作面机尾70#～98#支架段煤壁片帮严重，顶板破碎，需大量时间处理工作面片帮漏矸。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日开始，工作面条件已恢复正常，煤壁及顶板条件良好，之后停止注射马丽散。3月4日割煤3.3刀、5日割煤3.5刀、6日割煤2刀(中班检修电缆未割煤)。