高效高強(qiáng)加固料在南陽坡煤礦底板治理中的應(yīng)用

郭禹江，張柏林

(1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 鐵峰煤業(yè)公司， 山西 朔州 037200；2.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院， 山西 太原 030002)

1 工程概況

南陽坡礦隸屬于朔州煤電公司鐵峰煤業(yè)，位于柴家村北西部；地勢東高西低，地形極為平坦，黃土廣布，地面大部為楊樹林，中部為南灣苗圃，東部有一條村村通水泥路，地面無任何建筑物。蓋山厚度平均210 m. 8704工作面位于307盤區(qū)中東部，為8#307盤區(qū)首采面，四周均為實(shí)煤區(qū)，北部接近110 m大斷層，西部為307盤區(qū)巷,上覆為3#層、5#層采空區(qū)。8704工作面大致為一單斜構(gòu)造，北高，南低，煤層走向北西，傾向南東，傾角5°～8°. 8#煤層以黑色，半暗煤為主，玻璃光澤，夾鏡煤條帶及黃鐵礦，斷口平坦?fàn)睿瑓⒉顮睿严栋l(fā)育，煤層夾有2～3層夾矸，均為泥巖。

8704工作面過陷落柱時(shí)，陷落柱煤壁上部極為破碎，尤其在端頭很難形成承載結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響頂板的維護(hù)。在此背景下，采用工作面正常生產(chǎn)應(yīng)用的棚架支護(hù)和錨桿錨索支護(hù)措施，由于巖體本身破碎，難以充分發(fā)揮錨桿錨索本身的力學(xué)性能，支護(hù)材料的大量使用，達(dá)不到預(yù)期的支護(hù)效果，造成資源浪費(fèi)，同時(shí)工作面圍巖強(qiáng)度低，安全系數(shù)低，存在極大的安全隱患。

液壓支架作為采掘工作面的主要支護(hù)設(shè)備，存在本身體積大、噸位大等特點(diǎn)，液壓支架能否正常運(yùn)行關(guān)系到采掘工作的進(jìn)展。采掘工作的深入，改變了巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得其自身的平衡被打破，會出現(xiàn)巖石破碎，巖層斷裂等現(xiàn)象。液壓支架支護(hù)8704工作面?zhèn)纫晥D見圖1.

1—支護(hù)底腳；2—液壓支架；3—液壓支架頂；4—直接頂；5—煤體；6—底板；7—采煤煤壁；8—刮板輸送機(jī)；9—松散巖石圖1 8704工作面?zhèn)纫晥D

1) 直接頂巖層情況。由于采空區(qū)的影響，采空區(qū)上方直接頂受重力影響垂直變形，產(chǎn)生了很多松軟、破損巖塊，使得液壓支架頂支稱難度加大。

2) 采煤煤壁現(xiàn)場情況。液壓支架前方的采煤煤壁出現(xiàn)了暗黃色陷落柱，該陷落柱破碎、流動性強(qiáng)、滲透性差，進(jìn)一步增加采集工作面前方巖層的不確定性。

3) 底板巖層情況。支護(hù)底腳前方的底板巖石破碎，抗壓強(qiáng)度較低。經(jīng)測試，底板承受壓強(qiáng)不足1.5 MPa，不能支撐液壓支架底腳向前移動。

針對上述情況，常規(guī)做法為：采前應(yīng)采取密集鉆孔高壓注漿加固，煤層頂板及底板重點(diǎn)加固；回采過程中應(yīng)控制降塵和冷卻水的用量，保證工作面底板的干燥，同時(shí)在頂板壓力完全顯現(xiàn)前進(jìn)行快速推進(jìn)作業(yè)；局部液壓支架頂板破碎時(shí)，應(yīng)考慮帶壓移架[1-3].但傳統(tǒng)方法不能應(yīng)對該礦實(shí)際情況，主要因?yàn)橄萋渲植坑辛芩瑢?dǎo)致注漿加固困難、快速推進(jìn)作業(yè)受阻、頂?shù)装屦ば栽龃螅瑹o法帶壓移架。

2 高效高強(qiáng)度地面加固料

為解決南陽坡礦8704工作面底板巖層松散、無支撐強(qiáng)度的問題，必須選用高效高強(qiáng)度地面加固料。同時(shí)為了保證施工進(jìn)度，盡快使液壓支架成功通過該處松散巖石區(qū)域，須選用凝結(jié)時(shí)間短、抗壓強(qiáng)度上升迅速的加固材料。通過測試“石家莊虹基兆新機(jī)械設(shè)備科技有限公司”的高效高強(qiáng)度地面加固料，得出抗壓強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)，具體參數(shù)見表1. 經(jīng)測試，加固料24 h后可以達(dá)到20 MPa左右，3 d可以達(dá)到30 MPa左右，最終強(qiáng)度可以達(dá)到40 MPa左右。

表1 抗壓強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，擬合加固料與普通水泥的時(shí)間-抗壓強(qiáng)度曲線，見圖2.

圖2 時(shí)間-抗壓強(qiáng)度曲線圖

選用3次函數(shù)對圖2中兩條曲線進(jìn)行分析，得出：

yj=-0.001t4+0.068 3t3-1.638 9t2+

15.467t-8.150 7,R2=0.923 4

(1)

yp=0.002 2t3-0.151 7t2+3.975 9t-

1.437 7,R2=0.988 8

(2)

式中，yj為加固料的抗壓強(qiáng)度，MPa；yp為普通水泥的抗壓強(qiáng)度，MPa；t為時(shí)間，d.

從圖2中可以看出，加固料與普通水泥材料最終的抗壓強(qiáng)度基本相等，28 d的終凝強(qiáng)度均為40 MPa左右，加固料在OA段硬化速度快，隨后硬化速度開始減慢，直至后期強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。地面加固料在OA段的這一硬化特性，可以用來快速加固8704工作面底板。實(shí)際使用中，加固塊抗壓強(qiáng)度達(dá)到30 MPa以上，即可進(jìn)行支護(hù)底角前移工作，故選取P1=30 MPa，此時(shí)t1=3.7 d，t2=13.5 d. 說明選用高效高強(qiáng)度地面加固料可以節(jié)約9.8 d，有效縮短底板治理周期。

通過測量液壓支架推進(jìn)距離，得出“時(shí)間-推進(jìn)距離”曲線，見圖3. 結(jié)合現(xiàn)場施工情況，將該曲線分為3個(gè)階段：S1，S2，S3. 其中，S1階段為使用普通水泥施工；S2階段為將普通水泥逐漸替代為加固料，并且對加固料的性能參數(shù)逐漸熟悉；S3階段為完全熟練使用加固料進(jìn)行施工。

圖3 施工整體進(jìn)度圖

對S1階段曲線進(jìn)行擬合，得出推進(jìn)距離yS1與時(shí)間t的關(guān)系：

yS1=0.103 8t+0.883 3,R2=0.995 4

(3)

對S3階段曲線進(jìn)行擬合，得出推進(jìn)距離yS3與時(shí)間t的關(guān)系:

yS3=2t-37,R2=1

(4)

對yS1求一階導(dǎo)數(shù)，得出在S1階段的施工速度:

d(yS1)/dt=0.103 8

(5)

對yS3求一階導(dǎo)數(shù)，得出在S3階段的施工速度:

d(yS3)/dt=2

(6)

S3階段的施工速度與S1階段的施工速度的比值計(jì)為K，則有：

(7)

從式(7)可以看出，當(dāng)熟練使用加固料進(jìn)行施工時(shí)，速度是普通水泥施工速度的19.27倍。

3 高效高強(qiáng)度地面加固料的配置

高效高強(qiáng)度地面加固料的配置流程：攪拌采用高速攪拌機(jī)，轉(zhuǎn)速不低于1 000 r/min. 準(zhǔn)備一個(gè)50 L鐵桶作為混合攪拌容器，在容器內(nèi)放入10～15 kg水，加入2 kg 2號加固材料(液體)，使用氣動攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌均勻后加入1號加固材料(固體)40 kg，加入3號加固材料(固體)4～6 kg，使用氣動攪拌機(jī)快速攪拌均勻，在轉(zhuǎn)速1 000 r/min條件下，攪拌時(shí)長約為4 min，漿液配置完成。將配置好的漿液迅速倒入加固位置。

選擇設(shè)備型號為“GQ-6510”的手提式氣動攪拌機(jī)，技術(shù)參數(shù)：轉(zhuǎn)速0～2 200 r/min，工作流體為壓縮空氣，使用壓力為6(85 PSI)kg/cm2或8 (115 PSI) kg/cm2，環(huán)境溫度為-10～+120 ℃，重量為2.6 kg. 設(shè)備動力取自煤礦井下壓風(fēng)系統(tǒng)。該攪拌機(jī)輕巧便于攜帶，操作方便，維護(hù)檢修簡單，可用于各種場所，省時(shí)高效。

4 底板治理施工

8704工作面底板治理施工流程見圖4. 首先將支護(hù)底腳推進(jìn)液壓缸伸長，伸長距離為800 mm，同時(shí)刮板輸送機(jī)前移，刮板輸送機(jī)與液壓支架底腳之間的底板露出，在露出的底板內(nèi)挖加固槽，見圖5，加固槽深度為0.5 m，挖好后將加固槽壁和槽底清理干凈，將配置好的加固料迅速倒入加固槽內(nèi)，等待加固料凝固成底板加固塊，等待時(shí)間為84 h，此時(shí)加固塊抗壓強(qiáng)度為30 MPa以上，試探性前移支護(hù)底板，完全承壓并且不下陷后，逐一全部前移，之后重復(fù)施工流程。

圖4 施工流程圖

1—加固槽；2—刮板輸送機(jī)；3—推進(jìn)液壓缸；4—支護(hù)底腳圖5 施工區(qū)域劃分俯視圖

由于地面加固料在3～10 min即可出現(xiàn)凝固現(xiàn)象，所以需要在施工底板附近快速攪拌均勻。回采工作面施工空間狹小，大型攪拌設(shè)備無法進(jìn)入，小型攪拌設(shè)備無法一次性填充滿所有施工區(qū)域，可以多臺攪拌容器同時(shí)工作。

當(dāng)加固塊承受液壓支架壓力后，由于底板巖層松軟，承壓的加固塊會有一定幅度下陷，見圖6，第一排加固塊因?yàn)槌袎合孪荩缘诙盼闯袎旱募庸虊K為參照進(jìn)行測量，下陷距離為h，其平均高度為24 mm，當(dāng)前使用的液壓支架相關(guān)參數(shù)為臺底座千斤頂行程260 mm，可以滿足液壓支架前移需要。底板加固后示意圖見圖7.

1—第一排加固塊；2—第二排加固塊圖6 加固塊承重后下陷圖

1—底板加固塊；2—推進(jìn)液壓缸圖7 底板加固后示意圖

由于底板巖石層松軟的原因，當(dāng)加固塊承壓后會有24 mm的下陷，今后還需改進(jìn)工藝，使該數(shù)據(jù)進(jìn)一步減小。

5 結(jié) 論

對于松散巖石結(jié)構(gòu)的底板治理，采用凝固時(shí)間短、抗壓強(qiáng)度提升快的高效高強(qiáng)度加固材料，可以滿足現(xiàn)場施工需要，整體施工速度比使用普通水泥高19.27倍，且施工工藝簡單，一個(gè)班組8名工人，8 h內(nèi)可以完成20～30個(gè)加固塊的施工，施工效率高。