張夏海

（山西省晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)生產(chǎn)技術(shù)部，山西 晉城 046600）

由于邊角煤開采工作面塊段的不規(guī)則性，工作面煤巖層承受了較高的應(yīng)力，增大了頂煤的破碎程度和斷層帶破碎區(qū)的范圍。在73上19臺(tái)階式開采工作面的頂煤和煤幫，33上17工作面靠近風(fēng)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(jìn)過程中頂煤（板）破碎冒漏，影響安全生產(chǎn)，必須采取破碎煤巖注漿加固控制技術(shù)。

1 工程概況

趙莊煤業(yè)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(dǎo)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(xiàn)空頂、冒頂和煤壁片幫，嚴(yán)重影響工作面的正常安全生產(chǎn)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)查看：工作面頂板和煤壁裂隙、節(jié)理發(fā)育，易于發(fā)生破碎、離層、塌矸冒頂，煤幫煤層裂隙、節(jié)理處易片幫。工作面支護(hù)形式為液壓支架配合單體柱支護(hù)，工作面接近構(gòu)造區(qū)域（斷層或者陷落柱）時(shí)，頂板、煤層破碎嚴(yán)重，易大面積片幫冒頂。對(duì)工作面進(jìn)行注漿加固后，能夠加強(qiáng)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?shù)那闆r發(fā)生，保證安全生產(chǎn)。

2 化學(xué)注漿加固控制技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)趙莊煤業(yè)33上07邊角煤工作面，在開采過程中，集中應(yīng)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(dāng)中會(huì)造成工作面煤壁的失穩(wěn)，引起端面頂煤的冒落。因此，根據(jù)該邊角煤工作面綜放開采的特點(diǎn)，對(duì)于頂煤異常破碎的區(qū)域和斷層破碎區(qū)采用化學(xué)加固技術(shù)進(jìn)行煤巖體穩(wěn)定性控制。

2.1 壓注法加固上、下端頭煤體

2.1.1 加固參數(shù)的確定

壓注法加固的主要技術(shù)參數(shù)包括：鉆孔布置、鉆孔長(zhǎng)度、角度、封孔長(zhǎng)度、注漿壓力、注漿速度、單孔注漿量等。對(duì)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(qū)域布置單排鉆孔，孔口距底板2m，注漿壓力4～8MPa，單孔注漿時(shí)間35～50min，注漿速度適中。單孔注漿量按公式（1）進(jìn)行計(jì)算確定：

式中：

Qz-單孔注漿量，kg；

R-擴(kuò)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(zhǎng)度，取l=7m。

通過計(jì)算確定主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 壓注法加固主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 加固工藝

化學(xué)加固技術(shù)控制端面頂煤和煤幫，關(guān)鍵在于加固施工與工作面推進(jìn)速度在時(shí)間上的適應(yīng)性。根據(jù)該工作面的類型和集中應(yīng)力的分布特點(diǎn)，上、下端頭煤體易造成片幫冒頂，尤其是工作面端頭處于構(gòu)造區(qū)和因故較長(zhǎng)時(shí)間停產(chǎn)都將增大端頭片幫冒頂?shù)目赡苄裕蚨亲{加固控制的重點(diǎn)區(qū)域。

端頭煤體加固分別在上、下平巷超前工作面進(jìn)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(yīng)具有較高的完整性、較高的強(qiáng)度和較大的整體變形能力。為保證加固效果，采用壓注法對(duì)端頭煤體進(jìn)行加固。33上07工作面采用壓注法加固施工工藝系統(tǒng)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(tǒng)示意圖

2.2 錨注法加固工作面煤壁

2.2.1 加固參數(shù)確定

錨注法加固主要技術(shù)參數(shù)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(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算，需日割煤18循環(huán)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(duì)材料滲透能力的降低，根據(jù)破碎區(qū)寬度和煤壁片幫高度進(jìn)行鉆孔布置。如表2所列。

在對(duì)煤壁進(jìn)行錨注法加固施工時(shí)，鉆孔與工作面保持平行，參數(shù)設(shè)定為：直徑Φ42mm；封孔長(zhǎng)度0.2m；木錨桿截面SM=20×30mm=600mm2，注入量通過公式（2）進(jìn)行計(jì)算確定。

式中：

Q-注入量，kg；

n-有效體積比，80%；

k-材料損耗系數(shù)，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(zhǎng)度，m；

l-封孔長(zhǎng)度，m；

ρ-加固材料密度，ρ=1200kg/m3。

表2 錨注法加固技術(shù)參數(shù)

2.2.2 加固工藝

工作面內(nèi)部在依靠改進(jìn)回采工藝和提高支護(hù)水平增強(qiáng)端面頂煤和煤幫穩(wěn)定性的同時(shí)，對(duì)構(gòu)造破碎區(qū)和片幫冒頂區(qū)進(jìn)行煤壁加固。工作面煤壁加固需在工作面內(nèi)施工，應(yīng)盡可能安排在準(zhǔn)備班進(jìn)行，但片幫冒頂嚴(yán)重時(shí)，不可避免地要在生產(chǎn)班進(jìn)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(tǒng)如圖2所示。工藝過程分為鉆孔、裝設(shè)木錨桿、封孔及注漿等幾道工序。

圖2 錨注法加固系統(tǒng)示意圖

2.3 加固材料與設(shè)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(gòu)成。材料具有良好的流動(dòng)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(nèi)。材料在裂隙內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，體積膨脹并迅速固化，形成硬質(zhì)聚氨酯樹脂泡沫，并與周圍煤巖粘接成一個(gè)整體。樹脂泡沫具有良好的彈性和縮性，受外力時(shí)可產(chǎn)生壓縮變形，但不會(huì)脆裂。

2.3.2 加固設(shè)備

加固設(shè)備應(yīng)與使用的加固材料及加固工藝相適應(yīng)。對(duì)雙組分加固材料選用的設(shè)備應(yīng)具有與材料配比相同的比例同步連續(xù)或脈動(dòng)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(dòng)泵分別與壓注法和錨注法進(jìn)行配套使用。YZB63.2.32型壓注泵的主要技術(shù)參數(shù)：驅(qū)動(dòng)壓力 28MPa；工作壓力 0～20MPa；排量 0～16L/min；往復(fù)頻率0～90次/min。PUT-MZl型電動(dòng)泵主要技術(shù)參數(shù)為：電機(jī)功率1.5kW；轉(zhuǎn)速715rpm；電壓配置380/660V；防爆等級(jí)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(jī)質(zhì)量150kg；外形尺寸950mm×460mm×800mm。

2.4 勞動(dòng)組織及注意事項(xiàng)

針對(duì)化學(xué)注漿加固法工序較復(fù)雜，施工人員及使用設(shè)備較多的情況，為避免影響正常生產(chǎn)，應(yīng)盡可能在準(zhǔn)備班施工，并安排平行作業(yè)。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(yùn)料4人，維修工1名。施工過程中嚴(yán)格按施工工藝操作，要有專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行指導(dǎo)。盛放兩種組分材料的料桶及運(yùn)料用具必須單獨(dú)使用，嚴(yán)禁混用，以防材料在使用前發(fā)生反應(yīng)。加固工程為間斷施工，間隔72h以上時(shí)，施工結(jié)束后應(yīng)用機(jī)油清洗壓注泵，使雙工作缸吸排機(jī)油，清洗時(shí)間不少于10min。

3 結(jié)語

針對(duì)33上07邊角煤工作面進(jìn)行的化學(xué)注漿加固技術(shù)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(nèi)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(jié)為一體，提高了自穩(wěn)能力和力學(xué)性質(zhì)。聚氨酯材料具有發(fā)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(shí)，由于聚亞膠脂材料流動(dòng)性好，凝固時(shí)間長(zhǎng)，尤為適合深孔壓注法施工。