邊角煤工作面破碎煤巖注漿加固控制研究

張夏海

（山西省晉煤集團趙莊煤業生產技術部，山西 晉城 046600）

由于邊角煤開采工作面塊段的不規則性，工作面煤巖層承受了較高的應力，增大了頂煤的破碎程度和斷層帶破碎區的范圍。在73上19臺階式開采工作面的頂煤和煤幫，33上17工作面靠近風氧化帶的巷道頂板（頂煤）異常破碎。因此為了防止工作面推進過程中頂煤（板）破碎冒漏，影響安全生產，必須采取破碎煤巖注漿加固控制技術。

1 工程概況

趙莊煤業33上07屬于邊角煤工作面，開采煤層的煤厚4.5～5m，其中煤線0.4～0.8m，夾矸0.8～1.5m。在開采過程中，夾矸和煤線留不住，導致工作面采高過大，超過液壓支架的最大支撐高度，頂板出現空頂、冒頂和煤壁片幫，嚴重影響工作面的正常安全生產。經過現場查看：工作面頂板和煤壁裂隙、節理發育，易于發生破碎、離層、塌矸冒頂，煤幫煤層裂隙、節理處易片幫。工作面支護形式為液壓支架配合單體柱支護，工作面接近構造區域（斷層或者陷落柱）時，頂板、煤層破碎嚴重，易大面積片幫冒頂。對工作面進行注漿加固后，能夠加強煤層上方夾矸和煤線的完整性，使工作面采煤拉架后，能夠保證頂板的完整性，有效控制煤壁大面積片幫，防止頂板冒頂的情況發生，保證安全生產。

2 化學注漿加固控制技術應用

針對趙莊煤業33上07邊角煤工作面，在開采過程中，集中應力的作用有利于頂煤體的破壞，增加了頂煤體在放出前的破碎程度，有利于頂煤體的放出。但是在這過程當中會造成工作面煤壁的失穩，引起端面頂煤的冒落。因此，根據該邊角煤工作面綜放開采的特點，對于頂煤異常破碎的區域和斷層破碎區采用化學加固技術進行煤巖體穩定性控制。

2.1 壓注法加固上、下端頭煤體

2.1.1 加固參數的確定

壓注法加固的主要技術參數包括：鉆孔布置、鉆孔長度、角度、封孔長度、注漿壓力、注漿速度、單孔注漿量等。對于33上07工作面，壓注法主要是以加固上部煤體和頂煤為主。在破碎區域布置單排鉆孔，孔口距底板2m，注漿壓力4～8MPa，單孔注漿時間35～50min，注漿速度適中。單孔注漿量按公式（1）進行計算確定：

式中：

Qz-單孔注漿量，kg；

R-擴散半徑，取R=2m；

n-有效孔（裂）隙率，取n=1.5×10-3；

σ-加固材料密度，σ=1200kg/m3；

l-鉆孔有效注漿長度，取l=7m。

通過計算確定主要技術參數如表1所示。

表1 壓注法加固主要技術參數

2.1.2 加固工藝

化學加固技術控制端面頂煤和煤幫，關鍵在于加固施工與工作面推進速度在時間上的適應性。根據該工作面的類型和集中應力的分布特點，上、下端頭煤體易造成片幫冒頂，尤其是工作面端頭處于構造區和因故較長時間停產都將增大端頭片幫冒頂的可能性，因而是注漿加固控制的重點區域。

端頭煤體加固分別在上、下平巷超前工作面進行。提前加固的端頭煤體要承受工作面超前支承壓力的作用，加固后應具有較高的完整性、較高的強度和較大的整體變形能力。為保證加固效果，采用壓注法對端頭煤體進行加固。33上07工作面采用壓注法加固施工工藝系統如圖1所示。工藝過程分為鉆孔、封孔、注漿等幾道主要工序。

圖1 壓注法加固工藝系統示意圖

2.2 錨注法加固工作面煤壁

2.2.1 加固參數確定

錨注法加固主要技術參數包括鉆孔布置、孔深、錨桿尺寸、單孔注漿量等。按33上07工作面的日產量進行計算，需日割煤18循環以上。因此，必須加大錨注深度，綜合考慮到施工操作空間、成孔難易程度及超前壓力對材料滲透能力的降低，根據破碎區寬度和煤壁片幫高度進行鉆孔布置。如表2所列。

在對煤壁進行錨注法加固施工時，鉆孔與工作面保持平行，參數設定為：直徑Φ42mm；封孔長度0.2m；木錨桿截面SM=20×30mm=600mm2，注入量通過公式（2）進行計算確定。

式中：

Q-注入量，kg；

n-有效體積比，80%；

k-材料損耗系數，取1.05%；

SR-鉆孔截面積，SR=1.385×10-3m2；

SM-木錨桿截面積，SM=6×10-4m2；

L-鉆孔長度，m；

l-封孔長度，m；

ρ-加固材料密度，ρ=1200kg/m3。

表2 錨注法加固技術參數

2.2.2 加固工藝

工作面內部在依靠改進回采工藝和提高支護水平增強端面頂煤和煤幫穩定性的同時，對構造破碎區和片幫冒頂區進行煤壁加固。工作面煤壁加固需在工作面內施工，應盡可能安排在準備班進行，但片幫冒頂嚴重時，不可避免地要在生產班進行。這就要求加固工藝快速有效，煤壁加固采用錨注法。錨注法加固系統如圖2所示。工藝過程分為鉆孔、裝設木錨桿、封孔及注漿等幾道工序。

圖2 錨注法加固系統示意圖

2.3 加固材料與設備

2.3.1 加固材料

聚氨酯加固材料由多異氰酸酯和聚醚多元醇兩種組分以1:1的比例構成。材料具有良好的流動性和滲透性，在泵壓作用下能夠沿裂隙滲透到較大范圍的破碎煤巖體內。材料在裂隙內發生反應，體積膨脹并迅速固化，形成硬質聚氨酯樹脂泡沫，并與周圍煤巖粘接成一個整體。樹脂泡沫具有良好的彈性和縮性，受外力時可產生壓縮變形，但不會脆裂。

2.3.2 加固設備

加固設備應與使用的加固材料及加固工藝相適應。對雙組分加固材料選用的設備應具有與材料配比相同的比例同步連續或脈動排出雙組分材料的能力。

聚氨酯加固材料通常使用YZB63.2.32型壓注泵和PUT-MZl型電動泵分別與壓注法和錨注法進行配套使用。YZB63.2.32型壓注泵的主要技術參數：驅動壓力 28MPa；工作壓力 0～20MPa；排量 0～16L/min；往復頻率0～90次/min。PUT-MZl型電動泵主要技術參數為：電機功率1.5kW；轉速715rpm；電壓配置380/660V；防爆等級dI；雙工作泵排液比1:1，總排量0～9L/min；出口壓力0～0.8MPa；整機質量150kg；外形尺寸950mm×460mm×800mm。

2.4 勞動組織及注意事項

針對化學注漿加固法工序較復雜，施工人員及使用設備較多的情況，為避免影響正常生產，應盡可能在準備班施工，并安排平行作業。每種工藝施工所需人員：打孔2人，開泵、拆裝管路及安裝木錨桿2人，封孔2人，運料4人，維修工1名。施工過程中嚴格按施工工藝操作，要有專業技術人員進行指導。盛放兩種組分材料的料桶及運料用具必須單獨使用，嚴禁混用，以防材料在使用前發生反應。加固工程為間斷施工，間隔72h以上時，施工結束后應用機油清洗壓注泵，使雙工作缸吸排機油，清洗時間不少于10min。

3 結語

針對33上07邊角煤工作面進行的化學注漿加固技術加固控制效果理想。利用瑪麗散氣泵通過花管向破碎煤體內注液，提高破碎煤體的整體性和抵抗力。聚亞膠脂注入松軟煤體凝固后，破碎煤體凝結為一體，提高了自穩能力和力學性質。聚氨酯材料具有發泡膨脹能力，適合錨注法施工，并且錨注效果良好。在采用壓注法施工時，由于聚亞膠脂材料流動性好，凝固時間長，尤為適合深孔壓注法施工。