邊角煤工作面煤壁片幫機理分析及注漿加固技術

周春山

(太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024)

由于礦井煤層賦存條件的不規則、采區劃分及工作面布置等原因，在礦井開采后期會遺留大量的邊角煤資源[1]。合理的回采不規則邊角煤柱可以提高煤炭資源的利用率，延長礦井服務年限[2]。邊角煤形狀不規則，回采時需要對工作面進行調采。工作面大角度調采時，由于工作面推進速度慢、頂板受支架的反復支撐，容易造成工作面煤壁和頂板煤巖體破碎進而發生片幫冒頂，影響工作面的正常推進，不利于礦井安全生產[3]。當工作面煤巖體具有“三軟”特性時，工作面調采時發生煤壁片幫的可能性更大[4-6]。因此，解決“三軟”煤層邊角煤工作面調采時煤壁片幫問題對礦井高效生產有重要意義。

本文針對顯德汪礦二采區1223工作面大角度調采時出現頂板破碎、煤壁片幫問題，從煤壁片幫影響因素、加固措施等方面進行研究，提出煤壁片幫加固設計方案，為邊角煤工作面煤壁片幫治理提供借鑒。

1 工程概況

顯德汪礦二采區1223工作面所采煤層為2號煤，該煤層賦存不穩定，煤層平均厚度為1.96 m，煤層平均傾角為16°。直接頂為粉砂巖(中夾煤線)與炭質泥巖復合頂，平均厚度為1.5 m；基本頂為細砂巖，厚度為18 m，底板為砂質泥巖，厚度為2.1 m。煤巖石力學參數的測定結果表明，頂板炭質泥巖抗壓強度為18.3 MPa，底板抗壓強度為3.7 MPa，煤層f值為0.15，煤層具有頂板破碎，煤層及底板松軟的“三軟”特性。

1223工作面開采邊角煤柱，工作面布置呈“倒L”形。工作面回采時需進行3次旋轉開采，工作面巷道布置示意圖如圖1所示。

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

2 工作面煤壁片幫影響因素分析

1) 工作面煤巖體性質影響。1223工作面煤層、頂底板表現“三軟”特性；煤巖體的巖性較弱，煤壁的抗剪強度和黏聚力較低；工作面煤層在頂板壓力的作用下易發生破壞，從而產生煤壁片幫。

2) 工作面大角度調采影響。1223工作面開采不規則邊角煤柱，回采期間需要進行3次大角度調采以保證工作面連續推進，三次調采角度分別為25°、90°、35°。工作面進行調采時推進速度較慢，需要頻繁調整支架推進方向，支架反復支撐頂板，造成頂板煤巖體破碎程度明顯增大。在工作面調采過程中，發現第12～40號液壓支架上方的直接頂和架前的煤巖體破碎嚴重，支架上方直接頂巖層受到破壞。

3) 煤層傾角影響。1223工作面煤層平均傾角為16°，工作面在調采時采用仰斜開采方式；由于煤層平均傾角大于15°，工作面發生煤壁片幫的可能性增加[7]。

4) 支架的影響。支架初撐力不足時，不能有效控制頂板，頂板完整性易受到破壞；支架提供合理的初撐力時，可以及時支護頂板，有效限制頂板下沉變形，而合理的工作阻力又可以有效承受頂板來壓，同時緩解煤壁上方頂板的壓力。

綜上所述，由于1223工作面煤層具有“三軟”特性，煤體本身的黏聚力、內摩擦角等力學性能較弱，是在工作面開采過程中煤壁易片幫的主要內在原因；在不改變煤體物理性質、工作面支架的布置時，仰采角度及頂板支承壓力將成為影響煤壁片幫的主要外在因素。

3 煤壁片幫注漿加固技術

3.1 煤壁注漿加固原理

利用注漿設備向煤壁注入注漿材料，在注漿壓力的作用下，一方面漿液充填到煤體中的裂隙面，漿液凝固后改善了弱面結構的力學性能，提高了煤體的黏聚力和內摩擦角，也可以使破碎煤體重新膠結成整體，形成承載結構；另一方面，漿液在注漿管中固結形成桿體結構，起到錨固煤壁的作用[8]。

根據1223工作面破碎煤巖體的特征和采煤工藝的要求，選擇高分子加固材料注漿加固。該注漿材料具有較高的黏合力和較好的機械性能，與地層有較強的親和力，固結體的柔韌性能承受一定的地層變形。注漿材料注入煤、巖層以后，低黏度混合物保持幾秒鐘，滲透進細小的裂縫膨脹，產生二次壓力，將受注體更好地膠結為一個整體。

3.2 注漿加固參數選取

1) 注漿位置的確定。注漿加固位置主要包括局部注漿加固和全斷面注漿加固[9]。注漿加固位置的確定主要考慮煤巖體的破壞程度及破壞位置，全斷面加固雖然加固效果理想，但成本高、工藝較復雜，針對煤壁片幫問題，應根據煤壁片幫的程度合理進行選擇。

2) 注漿孔布置方式。注漿孔布置方式主要包括注漿孔的間排距、注漿孔的角度等。為了達到理想的注漿加固效果，需要設置合理的注漿孔間排距。設計注漿孔的間排距時應考慮注漿液的偏流效應及擴散距離[9]，同時要結合實際煤巖體的破壞情況作合理的調整。

3) 注漿孔參數設置。注漿孔參數主要包括注漿孔深和注漿加固深度，兩者設計深度基本一致，主要取決于漿液的徑向擴散性能、煤巖體注漿后的固結效果等。為達到理想的注漿加固效果，在考慮漿液的徑向擴散性能的前提下，注漿孔深應靠近煤巖體的峰后強度區邊緣，以使破裂巖體固結并使注漿管中固結的桿體起到錨固作用。

4) 注漿壓力設定。注漿壓力主要取決于漿液性能和煤巖體的滲透性能及設計的滲透范圍[9]。合理的注漿壓力可有效減少注漿工程量，利于漿液滲透；否則會造成破壞煤巖體的整體結構或無法有效滲透到煤巖體裂隙中。其選取原則應根據煤巖體巖性的軟弱和裂隙發育程度。

4 煤巖注漿加固設計方案及應用

4.1 注漿材料及設備的選定

注漿加固主要采用無機或有機(即化學)兩類材料。前者為顆粒狀的漿液，成分以水泥-水玻璃雙液為主，此類材料存在一些問題，主要是凝固時間不易控制，漏損比較嚴重，漿液易析水導致煤巖體軟化，注漿后強度不足，這類材料主要用于裂隙大、變形小且無動壓影響，煤體強度較高的注漿。有機(化學)漿液為溶液型，易向細微裂隙和孔隙內滲透，漿液反應速度可控，凝固體有較高的強度，在幾分鐘內可達到最終強度的90%以上。根據工作面的開采條件，采用高分子有機注漿材料。

確定注漿材料使用波雷因漿液，該漿液為溶液型漿液，由A料和B料兩種成分組成， 在泵壓作用下按一定比例注入煤體，在自身反應下可以滲透到細小的裂隙和孔隙內，具有較好的機械性能和較高的黏合力，注漿后煤體可適應一定的地層變形，波雷因具體性能參數見表1。

表1 波雷因具體性能參數Table 1 Specific performance parameters of Borein

1223工作面的注漿設備使用BQZ20-12氣動雙液注漿泵。注漿時可采用間隔注漿。

4.2 注漿參數設計

1) 在工作面回采工程中發現，1223工作面12～40號液壓支架及其他頂板煤巖體破碎嚴重，因此，注漿位置主要布置在1223工作面12～40號液壓支架前方煤壁易片幫處。

2) 1223工作面注漿孔采用三花眼局部注漿布置，注漿孔布置兩排。注漿孔距為3 m，排距為1.2 m。其中，上排注漿孔自煤層頂板處開孔，注漿孔與巷道頂板夾角成15°，下排注漿孔開孔與煤壁垂直(圖2)。采用風動錨桿機鉆取注漿孔，并配備相應長度的鉆桿和相應數量的Φ32 mm的鉆頭。

圖2 工作面煤壁注漿孔布置Fig.2 Layout of grouting holes in coal wall

3) 為達到理想的加固效果，根據1223工作面煤巖體的性質分析計算，將1223工作面兩排注漿孔孔深均設計為8 m，孔徑設置為Φ32 mm。每個注漿孔中放置2根注漿管，注漿管為Φ15 m，長度為2.0 m的鋼管，1根帶花眼，1根不帶花眼。其中，不帶花眼的鋼管布置在孔口，兩鋼管之間纏麻作為封孔，封孔段長為800 mm。在注漿孔里段留設約2 m深裸孔。

4) 根據經驗，1223工作面煤壁注漿孔設計終壓不大于1.0 MPa。

4.3 煤壁注漿工程實踐效果

工作面煤壁注漿加固前，根據對工作面煤壁片幫形式的觀測，分析可得工作面煤壁片幫主要有底部片幫、腰部片幫和頂部片幫三種形式，以腰部片幫和頂部片幫頻率較高，煤壁片幫深度超過1 m，且主要集中在12～40號液壓支架前方。

為了掌握1223工作面煤壁注漿后的片幫控制效果，在工作面3個周期來壓期間，工作面大約推進30 m范圍內進行礦壓觀測，主要對煤壁片幫的深度、煤壁片幫的形式及片幫的區域進行記錄，觀測頻率為每天一次，通過對觀測結果統計分析，得到煤壁注漿后實踐效果，見圖3。

圖3 注漿加固后工作面煤壁片幫深度及位置統計結果Fig.3 Statistical results of depth and location of coal wall after grouting reinforcement

由圖3可知，工作面煤壁經歷3次周期來壓期間，工作面煤壁片幫得到有效控制，煤壁最大片幫深度為30 cm左右，煤壁片幫主要發生在工作面10～40 m范圍內。這主要是因為工作面在調采期間該區域支架推進慢，反復支撐頂板造成一定程度損壞，但是并不影響工作面正常工作；煤壁工作面其他區域片幫次數基本杜絕，最大片幫深度也控制在3 cm內，有效解決了工作面片幫安全隱患。回采實踐表明，所采用的煤壁注漿加固方案，有效控制了1223工作面調采期間煤壁片幫，提高了工作效率。

5 結 論

1) 分析了煤壁片幫的影響因素，得出工作面煤體巖性軟弱是發生片幫的主要內在原因，仰采角度及頂板支承壓力是影響煤壁片幫的主要外在因素，為工作面煤壁片幫注漿加固提供理論指導。

2) 根據注漿加固原理及注漿加固參數的選取原則，結合1223工作面開采時煤壁的破壞情況，設計了工作面煤壁片幫加固設計方案，為1223工作面調采期間煤壁的穩定性提供保障。

3) 回采實踐表明，采用高分子加固材料進行注漿加固后，工作面片幫和冒頂得到有效控制，實現工作面正常回采，為解決不規則邊角煤工作面大角度調采時煤壁片幫問題提供參考。