于 水 王 悅 黃克軍

(1. 陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西省西安市，710065；2. 西安科技大學(xué)能源學(xué)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(xiàn)現(xiàn)象。大量開(kāi)采實(shí)踐表明，煤壁片幫可能砸傷井下作業(yè)人員，損壞工作面設(shè)備，降低開(kāi)機(jī)率，同時(shí)還會(huì)加大支架的端面距，導(dǎo)致架前無(wú)支護(hù)空頂區(qū)域范圍擴(kuò)大。在頂板巖性比較破碎的情況下，會(huì)進(jìn)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(shí)，煤壁片幫會(huì)直接導(dǎo)致綜采工作面產(chǎn)量和效益降低、使綜采工作面設(shè)備無(wú)法發(fā)揮生產(chǎn)潛能。因此，對(duì)工作面煤壁片幫進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對(duì)某礦S3012工作面頂板漏矸嚴(yán)重、割煤后出現(xiàn)煤壁片幫的情況，分析了煤壁片幫、冒頂?shù)臋C(jī)理及其影響因素，并在此基礎(chǔ)上提出了采用注馬麗散加固煤體的控制方法及相應(yīng)技術(shù)措施。

1 工作面概況

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

由于礦井地質(zhì)條件復(fù)雜，受多種因素影響，S3012工作面在回采至2#探煤巷時(shí)推進(jìn)緩慢，煤壁片幫嚴(yán)重，頂板漏矸嚴(yán)重，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)較大困難。為保證工作面安全順利的回采，必須對(duì)S3012工作面在復(fù)雜條件下工作面治理方案進(jìn)行研究，對(duì)工作面煤體采取合理的治理措施，保證工作面安全、順利開(kāi)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(zhì)構(gòu)造對(duì)工作面回采的影響。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，S3012工作面存在大量斷層，同時(shí)工作面中部位于向斜軸部，對(duì)工作面影響較大。

(2)破碎頂板對(duì)工作面的影響。S3012工作面78#支架以北頂部留有超過(guò)2 m的頂煤，割煤后出現(xiàn)煤壁片垮，進(jìn)而出現(xiàn)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(wàn)=1，煤層極為松軟，極易片垮，最多時(shí)片垮達(dá)2 m，給工作面頂板管理帶來(lái)極大的難度，工作面不能連續(xù)推進(jìn),特別是在S3012工作面通過(guò)構(gòu)造時(shí)，工作面煤壁片幫較嚴(yán)重。

(4)上保護(hù)煤層開(kāi)采的影響。S3012工作面機(jī)尾35 m段對(duì)應(yīng)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(shí)，正處于上部保護(hù)層邊緣，而上保護(hù)層僅保護(hù)了風(fēng)巷及其以北30 m范圍。在S3011工作面回采后，其應(yīng)力向煤巖層深部轉(zhuǎn)移，形成一個(gè)應(yīng)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(yīng)力升高區(qū)域，造成S3012工作面在回采過(guò)程中應(yīng)力較大，煤壁片幫嚴(yán)重，頂板管理困難，影響礦井生產(chǎn)。

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

圖1 S3011工作面與S3012空間關(guān)系示意圖

(6)地表地形的影響。2#探煤巷對(duì)應(yīng)地表處有一南北向的季節(jié)性溪溝，溪溝兩側(cè)存在陡坎，工作面在這一區(qū)域內(nèi)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(jiàn)，片幫深度較??；壓剪式片幫主要發(fā)生在頂板來(lái)壓期間，片幫深度大，易造成工作面空頂距過(guò)大，引發(fā)端面冒頂事故；橫拱形片幫在工作面內(nèi)較少發(fā)生，多發(fā)生于巷道內(nèi)。

S3012工作面礦壓觀測(cè)期間發(fā)生片幫較為嚴(yán)重，基本上每刀均有不同程度的片幫發(fā)生。片幫統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：

按片幫深度統(tǒng)計(jì)：片幫深度大于1 m的占片幫數(shù)的20%，大于2 m的僅占0.6%；按片幫高度統(tǒng)計(jì)：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(jì)：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(fù)雜，片幫嚴(yán)重，各種片幫形式均有出現(xiàn)。

2.3 煤壁片幫機(jī)理分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤壁片幫的形式及相關(guān)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(huì)在煤壁內(nèi)產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力。由于脆性煤體本身變形量較小，無(wú)法通過(guò)煤壁變形來(lái)釋放橫向拉應(yīng)力，當(dāng)橫向拉應(yīng)力超過(guò)煤壁抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤壁即會(huì)發(fā)生拉裂破壞，產(chǎn)生片幫現(xiàn)象。

2.3.2 剪切破壞

松軟煤層的抗剪強(qiáng)度較低，當(dāng)煤壁在自重及覆巖壓力作用下產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力時(shí)，會(huì)發(fā)生蠕動(dòng)變形，從而緩解或釋放橫向拉應(yīng)力，最終由于煤壁內(nèi)剪切應(yīng)力大于其抗剪強(qiáng)度而發(fā)生剪切滑動(dòng)破壞。

由上述分析可知，煤壁的片幫無(wú)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(xué)性質(zhì)有關(guān)。因此，降低煤壁所受覆巖壓力，改變煤體物理力學(xué)性質(zhì)，提高煤體自身強(qiáng)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(duì)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(jìn)行滲透；而馬麗散的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠發(fā)生膨脹，在煤巖體裂隙中產(chǎn)生二次滲透壓力，使得漿液向四周擴(kuò)散，其膨脹倍數(shù)可達(dá)到原體積的1.5～2.5倍，這樣的擴(kuò)散范圍和充填密實(shí)度要比普通材料高出數(shù)倍，同時(shí)能夠節(jié)約注漿加固成本；另外，水泥、水玻璃之類(lèi)的材料結(jié)石體抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度低，粘結(jié)力差，具有腐蝕性，不穩(wěn)定，且操作工藝復(fù)雜，工藝要求高，不方便井下工程操作；而馬麗散固結(jié)體抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度高，操作工藝簡(jiǎn)單，對(duì)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(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 馬麗散注漿材料技術(shù)參數(shù)表

3.2 注漿孔數(shù)及布置

3.2.1 注漿孔數(shù)

根據(jù)煤壁破碎程度，注漿孔數(shù)按煤壁裂隙特征分為3種情況進(jìn)行確定。注漿鉆孔數(shù)可依據(jù)表2選取。對(duì)于嚴(yán)重破碎圍巖，注漿孔數(shù)一般為6～15個(gè)，注漿孔布置可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況加以調(diào)整。

表2 工作面注漿孔數(shù)選擇依據(jù)

3.2.2 注漿段位置

根據(jù)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(fēng)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(shù)

注漿工藝參數(shù)包括注漿壓力、漿液注入量、漿液擴(kuò)散半徑等。由于注漿工程屬于隱蔽工程，其參數(shù)的計(jì)算較為困難，一般可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和確定。

在雙層模型中，系統(tǒng)調(diào)度是上層決策者，其目標(biāo)是平滑有功負(fù)荷曲線。上層模型的目標(biāo)函數(shù)見(jiàn)式(8)，由兩部分組成：

3.3.1 注漿壓力

注漿壓力是指注漿時(shí)克服漿液流動(dòng)阻力并使?jié){液擴(kuò)散一定范圍所需的動(dòng)力?？紤]到巖層裂隙阻力，初始?jí)毫? 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(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jì)算：

(1)

式中：Q——單孔漿液注入量，m3；

λ——漿液損失系數(shù)，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(nèi)的有效充填系數(shù)，一般取0.8%～0.9%；

m——結(jié)石率，%。

根據(jù)公式計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，漿液注入量參考值見(jiàn)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(shù)脂的混合配比：質(zhì)量比為1∶1.17，體積比為1∶1。

3.3.3 注漿擴(kuò)散半徑

通過(guò)對(duì)漿液的膠凝速度、滲透性和注漿終壓進(jìn)行調(diào)整，確定注漿有效范圍為開(kāi)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(jìn)場(chǎng)前敲幫找頂→標(biāo)孔→鉆孔→檢查鉆孔質(zhì)量→安裝注漿管及封孔部件→封孔→準(zhǔn)備漿液→開(kāi)泵注漿→凝固→檢查注漿質(zhì)量→驗(yàn)收。

采用?42 mm鉆頭的風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)施工注漿孔，連接?4 mm帶止?jié){塞的注漿管。注漿時(shí)雙液進(jìn)入注漿管遇芯片受阻，壓力上升，漿液通過(guò)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(jìn)入加固地層，不斷擴(kuò)散，達(dá)到設(shè)計(jì)終壓后停止注漿。

4 現(xiàn)場(chǎng)注漿加固實(shí)施效果

S3012工作面在實(shí)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(qiáng)度

馬麗散注漿材料進(jìn)入煤體后，迅速發(fā)生反應(yīng)，在膨脹作用力下產(chǎn)生二次滲壓，將馬麗散壓入并充滿微小裂隙。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，漿液注入20 min后可產(chǎn)生早期強(qiáng)度，且在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生極好的結(jié)合力，3～4 h后便有較高強(qiáng)度，24 h后可達(dá)到最終強(qiáng)度。在注漿過(guò)程中，注漿壓力較低，漿液滲透能力較強(qiáng)。注漿15 min后，發(fā)現(xiàn)距離注漿孔約1.2 m處有漿液滲出，稍微停頓并做一些簡(jiǎn)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(jié)成樹(shù)脂膠結(jié)體，以良好的可注性充填空隙封閉通道，提高煤體整體強(qiáng)度，增強(qiáng)了煤壁對(duì)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(duì)比情況見(jiàn)表4。

表4 注漿前后對(duì)比表

4.2 日平均進(jìn)刀數(shù)大幅提高

S3012工作面注射馬麗散時(shí)間為2017年2月17日～3月3日。注射馬麗散前，工作面機(jī)尾70#～98#支架段煤壁片幫嚴(yán)重，頂板破碎，需大量時(shí)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(kāi)始，工作面條件已恢復(fù)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(jīng)濟(jì)效益明顯

S3012工作面2017年3月份比2月多產(chǎn)原煤逾2萬(wàn)t，按照100元/t的利潤(rùn)計(jì)算，多創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益200余萬(wàn)元，除去馬麗散注漿費(fèi)用90萬(wàn)元，每月實(shí)際多創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益110余萬(wàn)元。

5 結(jié)論

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

(2)通過(guò)對(duì)S3012工作面煤壁片幫冒頂影響因素進(jìn)行分析，得出了地質(zhì)構(gòu)造、破碎頂板、煤體軟弱、上保護(hù)層開(kāi)采、回采工藝和地表地形是影響煤壁片幫冒頂?shù)闹饕蛩亍?/p>

(3)提出了選用馬麗散注漿加固方案，并設(shè)計(jì)了注漿方案及工藝參數(shù)。

(4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，馬麗散注漿加固技術(shù)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(jīng)濟(jì)效益明顯。為同類(lèi)條件下煤壁片幫冒頂?shù)闹卫硖峁┝藚⒖肌?/p>

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