边角煤工作面煤壁片帮机理分析及注浆加固技术

周春山

(太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)

由于矿井煤层赋存条件的不规则、采区划分及工作面布置等原因，在矿井开采后期会遗留大量的边角煤资源[1]。合理的回采不规则边角煤柱可以提高煤炭资源的利用率，延长矿井服务年限[2]。边角煤形状不规则，回采时需要对工作面进行调采。工作面大角度调采时，由于工作面推进速度慢、顶板受支架的反复支撑，容易造成工作面煤壁和顶板煤岩体破碎进而发生片帮冒顶，影响工作面的正常推进，不利于矿井安全生产[3]。当工作面煤岩体具有“三软”特性时，工作面调采时发生煤壁片帮的可能性更大[4-6]。因此，解决“三软”煤层边角煤工作面调采时煤壁片帮问题对矿井高效生产有重要意义。

本文针对显德汪矿二采区1223工作面大角度调采时出现顶板破碎、煤壁片帮问题，从煤壁片帮影响因素、加固措施等方面进行研究，提出煤壁片帮加固设计方案，为边角煤工作面煤壁片帮治理提供借鉴。

1 工程概况

显德汪矿二采区1223工作面所采煤层为2号煤，该煤层赋存不稳定，煤层平均厚度为1.96 m，煤层平均倾角为16°。直接顶为粉砂岩(中夹煤线)与炭质泥岩复合顶，平均厚度为1.5 m；基本顶为细砂岩，厚度为18 m，底板为砂质泥岩，厚度为2.1 m。煤岩石力学参数的测定结果表明，顶板炭质泥岩抗压强度为18.3 MPa，底板抗压强度为3.7 MPa，煤层f值为0.15，煤层具有顶板破碎，煤层及底板松软的“三软”特性。

1223工作面开采边角煤柱，工作面布置呈“倒L”形。工作面回采时需进行3次旋转开采，工作面巷道布置示意图如图1所示。

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

2 工作面煤壁片帮影响因素分析

1) 工作面煤岩体性质影响。1223工作面煤层、顶底板表现“三软”特性；煤岩体的岩性较弱，煤壁的抗剪强度和黏聚力较低；工作面煤层在顶板压力的作用下易发生破坏，从而产生煤壁片帮。

2) 工作面大角度调采影响。1223工作面开采不规则边角煤柱，回采期间需要进行3次大角度调采以保证工作面连续推进，三次调采角度分别为25°、90°、35°。工作面进行调采时推进速度较慢，需要频繁调整支架推进方向，支架反复支撑顶板，造成顶板煤岩体破碎程度明显增大。在工作面调采过程中，发现第12～40号液压支架上方的直接顶和架前的煤岩体破碎严重，支架上方直接顶岩层受到破坏。

3) 煤层倾角影响。1223工作面煤层平均倾角为16°，工作面在调采时采用仰斜开采方式；由于煤层平均倾角大于15°，工作面发生煤壁片帮的可能性增加[7]。

4) 支架的影响。支架初撑力不足时，不能有效控制顶板，顶板完整性易受到破坏；支架提供合理的初撑力时，可以及时支护顶板，有效限制顶板下沉变形，而合理的工作阻力又可以有效承受顶板来压，同时缓解煤壁上方顶板的压力。

综上所述，由于1223工作面煤层具有“三软”特性，煤体本身的黏聚力、内摩擦角等力学性能较弱，是在工作面开采过程中煤壁易片帮的主要内在原因；在不改变煤体物理性质、工作面支架的布置时，仰采角度及顶板支承压力将成为影响煤壁片帮的主要外在因素。

3 煤壁片帮注浆加固技术

3.1 煤壁注浆加固原理

利用注浆设备向煤壁注入注浆材料，在注浆压力的作用下，一方面浆液充填到煤体中的裂隙面，浆液凝固后改善了弱面结构的力学性能，提高了煤体的黏聚力和内摩擦角，也可以使破碎煤体重新胶结成整体，形成承载结构；另一方面，浆液在注浆管中固结形成杆体结构，起到锚固煤壁的作用[8]。

根据1223工作面破碎煤岩体的特征和采煤工艺的要求，选择高分子加固材料注浆加固。该注浆材料具有较高的黏合力和较好的机械性能，与地层有较强的亲和力，固结体的柔韧性能承受一定的地层变形。注浆材料注入煤、岩层以后，低黏度混合物保持几秒钟，渗透进细小的裂缝膨胀，产生二次压力，将受注体更好地胶结为一个整体。

3.2 注浆加固参数选取

1) 注浆位置的确定。注浆加固位置主要包括局部注浆加固和全断面注浆加固[9]。注浆加固位置的确定主要考虑煤岩体的破坏程度及破坏位置，全断面加固虽然加固效果理想，但成本高、工艺较复杂，针对煤壁片帮问题，应根据煤壁片帮的程度合理进行选择。

2) 注浆孔布置方式。注浆孔布置方式主要包括注浆孔的间排距、注浆孔的角度等。为了达到理想的注浆加固效果，需要设置合理的注浆孔间排距。设计注浆孔的间排距时应考虑注浆液的偏流效应及扩散距离[9]，同时要结合实际煤岩体的破坏情况作合理的调整。

3) 注浆孔参数设置。注浆孔参数主要包括注浆孔深和注浆加固深度，两者设计深度基本一致，主要取决于浆液的径向扩散性能、煤岩体注浆后的固结效果等。为达到理想的注浆加固效果，在考虑浆液的径向扩散性能的前提下，注浆孔深应靠近煤岩体的峰后强度区边缘，以使破裂岩体固结并使注浆管中固结的杆体起到锚固作用。

4) 注浆压力设定。注浆压力主要取决于浆液性能和煤岩体的渗透性能及设计的渗透范围[9]。合理的注浆压力可有效减少注浆工程量，利于浆液渗透；否则会造成破坏煤岩体的整体结构或无法有效渗透到煤岩体裂隙中。其选取原则应根据煤岩体岩性的软弱和裂隙发育程度。

4 煤岩注浆加固设计方案及应用

4.1 注浆材料及设备的选定

注浆加固主要采用无机或有机(即化学)两类材料。前者为颗粒状的浆液，成分以水泥-水玻璃双液为主，此类材料存在一些问题，主要是凝固时间不易控制，漏损比较严重，浆液易析水导致煤岩体软化，注浆后强度不足，这类材料主要用于裂隙大、变形小且无动压影响，煤体强度较高的注浆。有机(化学)浆液为溶液型，易向细微裂隙和孔隙内渗透，浆液反应速度可控，凝固体有较高的强度，在几分钟内可达到最终强度的90%以上。根据工作面的开采条件，采用高分子有机注浆材料。

确定注浆材料使用波雷因浆液，该浆液为溶液型浆液，由A料和B料两种成分组成， 在泵压作用下按一定比例注入煤体，在自身反应下可以渗透到细小的裂隙和孔隙内，具有较好的机械性能和较高的黏合力，注浆后煤体可适应一定的地层变形，波雷因具体性能参数见表1。

表1 波雷因具体性能参数Table 1 Specific performance parameters of Borein

1223工作面的注浆设备使用BQZ20-12气动双液注浆泵。注浆时可采用间隔注浆。

4.2 注浆参数设计

1) 在工作面回采工程中发现，1223工作面12～40号液压支架及其他顶板煤岩体破碎严重，因此，注浆位置主要布置在1223工作面12～40号液压支架前方煤壁易片帮处。

2) 1223工作面注浆孔采用三花眼局部注浆布置，注浆孔布置两排。注浆孔距为3 m，排距为1.2 m。其中，上排注浆孔自煤层顶板处开孔，注浆孔与巷道顶板夹角成15°，下排注浆孔开孔与煤壁垂直(图2)。采用风动锚杆机钻取注浆孔，并配备相应长度的钻杆和相应数量的Φ32 mm的钻头。

图2 工作面煤壁注浆孔布置Fig.2 Layout of grouting holes in coal wall

3) 为达到理想的加固效果，根据1223工作面煤岩体的性质分析计算，将1223工作面两排注浆孔孔深均设计为8 m，孔径设置为Φ32 mm。每个注浆孔中放置2根注浆管，注浆管为Φ15 m，长度为2.0 m的钢管，1根带花眼，1根不带花眼。其中，不带花眼的钢管布置在孔口，两钢管之间缠麻作为封孔，封孔段长为800 mm。在注浆孔里段留设约2 m深裸孔。

4) 根据经验，1223工作面煤壁注浆孔设计终压不大于1.0 MPa。

4.3 煤壁注浆工程实践效果

工作面煤壁注浆加固前，根据对工作面煤壁片帮形式的观测，分析可得工作面煤壁片帮主要有底部片帮、腰部片帮和顶部片帮三种形式，以腰部片帮和顶部片帮频率较高，煤壁片帮深度超过1 m，且主要集中在12～40号液压支架前方。

为了掌握1223工作面煤壁注浆后的片帮控制效果，在工作面3个周期来压期间，工作面大约推进30 m范围内进行矿压观测，主要对煤壁片帮的深度、煤壁片帮的形式及片帮的区域进行记录，观测频率为每天一次，通过对观测结果统计分析，得到煤壁注浆后实践效果，见图3。

图3 注浆加固后工作面煤壁片帮深度及位置统计结果Fig.3 Statistical results of depth and location of coal wall after grouting reinforcement

由图3可知，工作面煤壁经历3次周期来压期间，工作面煤壁片帮得到有效控制，煤壁最大片帮深度为30 cm左右，煤壁片帮主要发生在工作面10～40 m范围内。这主要是因为工作面在调采期间该区域支架推进慢，反复支撑顶板造成一定程度损坏，但是并不影响工作面正常工作；煤壁工作面其他区域片帮次数基本杜绝，最大片帮深度也控制在3 cm内，有效解决了工作面片帮安全隐患。回采实践表明，所采用的煤壁注浆加固方案，有效控制了1223工作面调采期间煤壁片帮，提高了工作效率。

5 结 论

1) 分析了煤壁片帮的影响因素，得出工作面煤体岩性软弱是发生片帮的主要内在原因，仰采角度及顶板支承压力是影响煤壁片帮的主要外在因素，为工作面煤壁片帮注浆加固提供理论指导。

2) 根据注浆加固原理及注浆加固参数的选取原则，结合1223工作面开采时煤壁的破坏情况，设计了工作面煤壁片帮加固设计方案，为1223工作面调采期间煤壁的稳定性提供保障。

3) 回采实践表明，采用高分子加固材料进行注浆加固后，工作面片帮和冒顶得到有效控制，实现工作面正常回采，为解决不规则边角煤工作面大角度调采时煤壁片帮问题提供参考。