煤壁柔性加固工藝參數優化試驗研究

楊勝利，楊 毅,3

(1.中國礦業大學(北京) 能源與礦業學院，北京 100083; 2.放頂煤開采煤炭行業工程研究中心，北京 100083; 3.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102211)

煤壁穩定性控制是長壁工作面采場圍巖控制的重要內容，對煤壁穩定性控制的關注是隨著綜合機械化大采高開采在我國的推廣應用開始的[1]。為了保證工作面安全高效回采，除了需要有可靠的設備外，還需要有穩定的回采空間，即工作面煤壁和頂板要穩定。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移;另一方面，隨著綜合機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采場圍巖結構的穩定性提出了新的挑戰。隨著開采深度和采高的增加，工作面煤壁失穩現象愈發突出，給工作面人員安全和生產效率的提高帶來嚴重威脅。

針對工作面煤壁破壞問題，國內外學者做了大量研究工作且取得了顯著的成效。經過多年的發展，對煤壁破壞的關鍵因素已達成共識，認為煤體的性質、采高、煤層傾角、支架工況、推進速度等因素是影響煤壁穩定性的主要因素[2-6]。在煤壁破壞機理方面，有學者根據煤壁的應力環境不同，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，認為在硬煤煤壁容易發生后兩種破壞方式[7];有學者以卸荷巖體力學和斷裂力學為基礎，建立了煤壁穩定性力學模型，認為煤壁失穩是由于煤體內裂隙擴展、聯合導致的[8];有學者將滑移線理論引入煤壁穩定性分析中，得到了煤壁破壞的潛在范圍[9]。在煤壁破壞防治方法方面，有學者認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度，進而提高煤壁的穩定性[10-11];有學者認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，減少煤壁破壞發生[12-13];有學者認為通過化學漿液聚氨酯、樹脂漿、波雷因、新型無機注漿材料、超細水泥、高水速凝材等漿液對煤壁進行注漿加固，可有效提高煤壁煤體強度[14-20];也有學者認為通過使用木錨桿、玻璃纖維錨桿加固煤壁，可有效防治煤壁破壞[21-22];近年來，有學者提出了“棕繩+注漿”柔性加固技術加固煤壁，通過構建柔性棕繩-漿液-煤體本構模型，理論上闡明了柔性材料的適用性，并通過工程應用，很好得提高了煤壁的完整性和穩定性[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，認為當煤柱高度超過2.40～4.05 m時[25-26]，煤柱會出現失穩現象;有學者認為煤柱失穩主要是由于節理貫通造成的[27];也有學者認為當煤柱的頂底板強度高于煤柱本身強度時，煤柱失穩形式可能會有4種:壓剪滑移型、重力滑移型、豎向層裂型和沙漏型[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生，可作為常規的技術手段。但是當煤層所處應力環境較為復雜時，如過斷層期間，常規的技術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、柔性加固等非常規技術手段。然而傳統的煤壁注漿加固或錨桿加固，或存在支護強度低、支護距離短等問題(竹錨桿、木錨桿等)，或存在成本高、工序復雜等問題(注漿加固、玻璃鋼錨桿等)。新提出的煤壁柔性加固技術，柔性棕繩可以克服錨桿不易被切割的缺點，柔性棕繩和漿液的聯合使用又可以降低注漿成本，并且經過工程應用取得了良好的效果。應用表明:一方面柔性棕繩較大的延伸率可以適應煤壁的大變形[24];另一方面由于柔性棕繩具有較強的韌性和較大的抗拉強度，當煤壁破壞時，柔性棕繩可以懸掛片落煤塊，從而防止煤塊滑入工作面對人員安全造成威脅。因此研究煤壁柔性加固技術作用機理、確定柔性加固參數、開發低成本的注漿材料，可以更加科學的指導柔性加固技術施工，進一步推進該技術的廣泛應用。

1 煤壁柔性加固技術介紹

煤炭的深部開采和復雜條件開采(構造發育、大傾角等)導致采動應力場復雜，采動擾動較大，煤壁破壞表現出一定的不可控性。當采用增加支架工作阻力等常規措施效果不理想時，可采用煤壁柔性加固技術作為非常規技術手段，該方法可以避免片落煤體滑入工作面，從而消除對人員安全和生產的影響，達到煤壁破壞的治理目的。

經過大量調研發現，劍麻白棕繩具有較強的抗拉能力、耐酸堿腐蝕能力和耐摩擦等優質特點。如果能將劍麻白棕繩代替錨桿固定在煤壁一定深度處，一方面增強煤體的強度和整體性，當煤壁發生破壞時，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，達到治理目的?；诖藢β榘鬃乩K定義為柔性材料，將柔性棕繩配合注漿管對煤壁加固的技術定義為柔性加固技術，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;當煤壁發生破壞時，棕繩可以控制滑體，使滑體不進入工作面，達到不影響人員安全和生產的目的(圖1)。

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

2 煤壁柔性加固機理實驗

為了明確柔性加固技術的作用機理及柔性棕繩的作用機制，設計了3臺三維相似模擬實驗，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))，通過監測各條件下煤壁橫向變形特征(圖2)及煤壁破壞片落形態等評價實驗效果。

圖2 三維相似模擬實驗Fig.2 Three-dimensional similar simulation experiment

2.1 實驗材料和方法

本實驗所采用的設備為自主設計的三維相似模擬實驗臺，試驗箱體尺寸為長×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配制具有一定強度的煤體，水的質量設計為總質量的7%。設幾何相似比為1∶10，動力相似比為1∶1.6，模擬工作面采高為5 m。

實驗步驟:① 完成模型鋪設和設備安裝(千斤頂及壓力盒);② 按照分級加載原則，采用手動液壓泵，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據并記錄。

2.2 實驗結果分析

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。從數據特征可知，煤壁無加固條件下，當頂板壓力增大到B1點時，煤壁發生破壞，此時頂板壓力為12 MPa，煤壁的橫向變形量為17 mm;煤壁注漿加固條件下，當頂板壓力增大到B2點時，煤壁發生破壞，此時頂板壓力為11 MPa，煤壁的橫向變形量為11 mm;煤壁柔性加固條件下，當頂板壓力增大到B3點時，煤壁發生破壞，此時頂板壓力為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)。所以柔性加固相對于注漿加固條件下破壞深度減小了50%，相對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，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，當煤壁無加固時，煤壁發生了整體破壞，中部和上部破壞深度均比較大(圖4(a));當煤壁采用注漿加固時，通過橫向變形數據分析可知，漿液作用范圍內，有效的減緩了煤壁破壞，但是當煤壁壓力超過煤壁的極限承載能力時，依然無法避免破壞的發生(圖4(b));當煤壁采用柔性加固時，在加固作用范圍內，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，即使煤壁下部發生了嚴重的煤壁擠出破壞，但是在柔性加固影響范圍內，煤體有效的凝聚在一起，發揮了柔性棕繩的作用(圖4(c))。

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

3 煤壁柔性加固孔徑比確定方法實驗

3.1 柔性棕繩與漿液的耦合機理

柔性加固煤壁作用機理與錨桿/索加固煤壁作用機理相似(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，另一方面當煤壁破壞時可以克服片落塊體的重力，從而避免塊體滑入工作面，發揮柔性棕繩的作用。

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

為使漿液更好的滲入煤體，形成柔性棕繩-漿液-煤體整體結構，需要將漿液按照一定的壓力注入煤壁鉆孔中，此時就會產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，根據文獻[29]可知，P1,P2和a,b有如下關系:

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)。說明當煤壁發生破壞時，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-漿體形成的固結體將會從鉆孔中滑落，涌入工作面，從而無法發揮柔性棕繩的作用。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 實驗方案

基于上述理論分析，設計了“柔性棕繩、漿液、煤體”拉拔試驗，以伺服試驗機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價試驗效果。首先，采用控制變量法研究當鉆孔孔徑為32 mm，柔性棕繩直徑分別為6～26 mm時(梯度為2 mm)柔性棕繩形成全長錨固時拉拔力大小;研究當鉆孔孔徑為26 mm，柔性棕繩直徑分別為8～24 mm時(梯度為2 mm)柔性棕繩形成全長錨固時拉拔力大小。選擇孔徑為32 mm、柔性棕繩直徑為16 mm為例，實驗步驟如下:

(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)將試件養護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，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))，同時記錄漿液初凝時間。

(4)當漿液凝固4 h后使用WAW-600B微機電液伺服萬能試驗機進行拉拔試驗(圖7(b))，測試拉拔力。

(5)重復上述實驗過程，完成上述實驗。

然后，為進一步驗證柔性棕繩-漿液-煤體的耦合關系是影響柔性加固效果的關鍵因素，采用與上文相同的實驗方法，采用控制變量法，將實驗中的變量設置為鉆孔直徑，控制棕繩直徑不變，即實驗選用20 mm棕繩，測試鉆孔孔徑為30～80 mm(梯度為10 mm)時拉拔力大小(圖7(c))。

3.3 實驗結果分析

根據上述實驗結果可知，在孔徑分別為32，26 mm的條件下，藍色標志點和紅色標志點分別為不同直徑棕繩條件下的對應的拉拔力大小(圖8)。

圖7 實驗過程Fig.7 Experiment process

圖8 不同直徑棕繩實驗結果Fig.8 Experiment results of different coir ropes

隨著棕繩直徑的增大，極限載荷均呈現先增大后減小的趨勢，孔徑為32 mm時，采用18 mm棕繩極限載荷最大，效果最優;孔徑為26 mm時，采用16 mm棕繩極限載荷最大，效果最優。實驗發現，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，宏觀上就表現為極限載荷的增大;但是當棕繩直徑大于一定值時，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，宏觀上就導致極限載荷的減小。

從實驗結果可以看出最優孔徑比不是一個確定的值，而是一個取值范圍，即圖8中圈定部分，當鉆孔直徑為32 mm時，柔性棕繩直徑為14～20 mm時拉拔力最大，此時孔徑比為1.6～2.3;當鉆孔直徑為26 mm時，柔性棕繩直徑為14～20 mm時拉拔力最大，此時孔徑比為1.3～1.9;取兩者交集可得當孔徑比為1.6～1.9時，柔性加固技術都能取得較為理想的效果。

在驗證孔徑比是影響柔性加固效果的關鍵因素實驗中(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驗結果是一致的。當孔徑比介于1.5～2.0時，拉拔力呈增長趨勢。

圖9 不同孔徑比實驗結果Fig.9 Experiment results of different apertures ratios

綜合以上兩組實驗，取實驗數據交集得到最優孔徑比區間為1.6～1.9，且孔徑比越接近1.9，柔性加固效果越好。

4 注漿材料特性試驗與選擇

柔性加固技術在現場應用時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2.5萬～3.2萬元/t，這在很大程度上提高了生產成本，所以如果能找到一種廉價注漿材料替代馬麗散，那就可以降低技術成本，使該技術更廣泛的工業化運用。經過大量的調研和分析對比，初步找到3種可以代替馬麗散的漿液:超細單液水泥漿液、超細水泥-水玻璃漿液、以及超細水泥-礦粉-水玻璃漿液。最后通過實驗進行注漿材料選擇，實驗方法參照3.2節所述的“柔性棕繩、漿液、煤體”拉拔試驗。

4.1 超細單液水泥漿特性

水泥漿液具有取材廣泛，價格低廉，凝固后強度大的優勢，水泥漿適用到柔性加固技術中最大的問題是凝固時間，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。該實驗是水灰比為1∶1的條件下，不同速凝劑添加量時所對應的極限載荷和凝固時間(圖10)。由圖10可知，極限載荷穩定在0.5 kN;隨著速凝劑含量的增加，水泥漿液的凝固時間逐漸縮短，當速凝劑含量為5%時，凝固時間為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生化學反應后生成水化硅酸鈣，該結實體不僅強度大，而且具有一定的彈性特性，這種性質的結實體可以增強柔性棕繩-漿液-煤體的協調變形特性。

控制水灰比為1∶1，改變水玻璃的添加量，圖11為實驗結果。隨著水玻璃添加量的增加，極限載荷不斷減小;當水玻璃的含量為10%時，最大載荷是4.2 kN，約為相同水灰比下單液水泥漿的8倍，當水玻璃含量由10%增加到30%時，載荷下降最快;當含量由30%增加到70%時，極限 荷趨于穩定，在1.8 kN附近波動，但是仍大于單液水泥漿的0.5 kN;當含量超過70%時，極限載荷明顯降低(圖11)。當水玻璃含量不超過70%時，凝固時間小于300 s，平均凝固時間94 s，較短的凝固時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間，更可以提高凝固后結實體的強度，因此選擇雙液注漿的方式，選用超細水泥-水玻璃漿液有利于發揮柔性加固技術的優勢。

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，不僅可以實現對廢棄物的利用，還可以節約成本。因此設想將超細水泥-礦粉-水玻璃混合組成復合注漿材料。

實驗方案:以礦粉為例，將超細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%，實驗結果如圖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

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

綜合上述實驗結果，超細水泥漿凝固后極限載荷約為0.5 kN;超細水泥-水玻璃漿液，當水玻璃的添加量小于10%時，水玻璃含量對極限載荷影響較小，可以忽略;超細水泥-礦粉-水玻璃漿液，當礦粉的添加量不超過30%時，礦粉的添加對極限載荷的影響較小，可以忽略。因此認為，采用超細水泥-礦粉-水玻璃混合材料作為柔性加固技術的注漿材料，礦粉添加量控制為30%，水玻璃的添加量為10%，此時形成的結實體不僅具有一定的彈性特征，便于實現煤體-結實體-柔性材料的協調變形性，而且混合材料的成本約為5 000 t，可以大幅度降低技術成本。

5 小孔徑注漿方案優化

目前在煤壁柔性加固技術應用中，所用的注漿管為圓形注漿管配合柔性棕繩使用(圖13(a))，但是應用中發現，在煤壁上鉆孔的工藝較為復雜，特別是孔徑超過32 mm時，通常需要大型鉆機完成鉆孔工作，這增加了柔性加固技術的施工難度，進一步的限制了柔性加固技術的使用。因此為了降低施工難度，開發了半環形注漿管，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，礦壓顯現比較明顯，在仰斜開采階段，煤壁破壞問題成為影響生產的主要因素(圖14(a))。在煤壁破壞比較嚴重的區域，采用柔性加固技術加固煤壁。由于煤壁柔性加固作用機理與錨桿/索加固煤壁作用機理相似，因此參照礦井常用的錨桿/索規格，確定選用20 mm直徑棕繩;根據上文研究可知當孔徑比為1.9時，柔性加固效果最佳，從而確定了鉆孔孔徑應為38 mm;常規工作面，煤壁前方破裂區域寬度為3～5 m，由此確定錨固深度為5 m;根據該礦井以往的煤壁注漿加固工程經驗，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(表1)。施工工藝:① 在實施方案前，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，煤體強度和整體性得到有效提高，結合工作面頂板管理，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 論

(1)基于傳統的煤壁破壞治理方法，提出了煤壁全長錨固柔性加固技術;設計了煤壁加固三維相似模擬對比實驗，通過煤壁水平變形特征和破壞形態特征，發現煤壁柔性加固相對于注漿加固，破壞深度減小了65%;相對于煤壁不加固，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制。

(2)通過“柔性棕繩、漿液、煤體”拉拔實驗，發現了當孔徑比為1.6～1.9時，煤壁柔性加固可取得較好效果，確定了柔性加固參數;開發了“超細水泥-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成本，優化了柔性加固工藝。

(3)開發了半環形注漿管，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用柔性加固技術，煤壁的整體性得到了有效提高，煤壁破壞問題得到緩解，實現了安全高效回采。