边角煤工作面破碎煤岩注浆加固控制研究

张夏海

（山西省晋煤集团赵庄煤业生产技术部，山西 晋城 046600）

由于边角煤开采工作面块段的不规则性，工作面煤岩层承受了较高的应力，增大了顶煤的破碎程度和断层带破碎区的范围。在73上19台阶式开采工作面的顶煤和煤帮，33上17工作面靠近风氧化带的巷道顶板（顶煤）异常破碎。因此为了防止工作面推进过程中顶煤（板）破碎冒漏，影响安全生产，必须采取破碎煤岩注浆加固控制技术。

1 工程概况

赵庄煤业33上07属于边角煤工作面，开采煤层的煤厚4.5～5m，其中煤线0.4～0.8m，夹矸0.8～1.5m。在开采过程中，夹矸和煤线留不住，导致工作面采高过大，超过液压支架的最大支撑高度，顶板出现空顶、冒顶和煤壁片帮，严重影响工作面的正常安全生产。经过现场查看：工作面顶板和煤壁裂隙、节理发育，易于发生破碎、离层、塌矸冒顶，煤帮煤层裂隙、节理处易片帮。工作面支护形式为液压支架配合单体柱支护，工作面接近构造区域（断层或者陷落柱）时，顶板、煤层破碎严重，易大面积片帮冒顶。对工作面进行注浆加固后，能够加强煤层上方夹矸和煤线的完整性，使工作面采煤拉架后，能够保证顶板的完整性，有效控制煤壁大面积片帮，防止顶板冒顶的情况发生，保证安全生产。

2 化学注浆加固控制技术应用

针对赵庄煤业33上07边角煤工作面，在开采过程中，集中应力的作用有利于顶煤体的破坏，增加了顶煤体在放出前的破碎程度，有利于顶煤体的放出。但是在这过程当中会造成工作面煤壁的失稳，引起端面顶煤的冒落。因此，根据该边角煤工作面综放开采的特点，对于顶煤异常破碎的区域和断层破碎区采用化学加固技术进行煤岩体稳定性控制。

2.1 压注法加固上、下端头煤体

2.1.1 加固参数的确定

压注法加固的主要技术参数包括：钻孔布置、钻孔长度、角度、封孔长度、注浆压力、注浆速度、单孔注浆量等。对于33上07工作面，压注法主要是以加固上部煤体和顶煤为主。在破碎区域布置单排钻孔，孔口距底板2m，注浆压力4～8MPa，单孔注浆时间35～50min，注浆速度适中。单孔注浆量按公式（1）进行计算确定：

式中：

Qz-单孔注浆量，kg；

R-扩散半径，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-钻孔有效注浆长度，取l=7m。

通过计算确定主要技术参数如表1所示。

表1 压注法加固主要技术参数

2.1.2 加固工艺

化学加固技术控制端面顶煤和煤帮，关键在于加固施工与工作面推进速度在时间上的适应性。根据该工作面的类型和集中应力的分布特点，上、下端头煤体易造成片帮冒顶，尤其是工作面端头处于构造区和因故较长时间停产都将增大端头片帮冒顶的可能性，因而是注浆加固控制的重点区域。

端头煤体加固分别在上、下平巷超前工作面进行。提前加固的端头煤体要承受工作面超前支承压力的作用，加固后应具有较高的完整性、较高的强度和较大的整体变形能力。为保证加固效果，采用压注法对端头煤体进行加固。33上07工作面采用压注法加固施工工艺系统如图1所示。工艺过程分为钻孔、封孔、注浆等几道主要工序。

图1 压注法加固工艺系统示意图

2.2 锚注法加固工作面煤壁

2.2.1 加固参数确定

锚注法加固主要技术参数包括钻孔布置、孔深、锚杆尺寸、单孔注浆量等。按33上07工作面的日产量进行计算，需日割煤18循环以上。因此，必须加大锚注深度，综合考虑到施工操作空间、成孔难易程度及超前压力对材料渗透能力的降低，根据破碎区宽度和煤壁片帮高度进行钻孔布置。如表2所列。

在对煤壁进行锚注法加固施工时，钻孔与工作面保持平行，参数设定为：直径Φ42mm；封孔长度0.2m；木锚杆截面SM=20×30mm=600mm2，注入量通过公式（2）进行计算确定。

式中：

Q-注入量，kg；

n-有效体积比，80%；

k-材料损耗系数，取1.05%；

SR-钻孔截面积，SR=1.385×10-3m2；

SM-木锚杆截面积，SM=6×10-4m2；

L-钻孔长度，m；

l-封孔长度，m；

ρ-加固材料密度，ρ=1200kg/m3。

表2 锚注法加固技术参数

2.2.2 加固工艺

工作面内部在依靠改进回采工艺和提高支护水平增强端面顶煤和煤帮稳定性的同时，对构造破碎区和片帮冒顶区进行煤壁加固。工作面煤壁加固需在工作面内施工，应尽可能安排在准备班进行，但片帮冒顶严重时，不可避免地要在生产班进行。这就要求加固工艺快速有效，煤壁加固采用锚注法。锚注法加固系统如图2所示。工艺过程分为钻孔、装设木锚杆、封孔及注浆等几道工序。

图2 锚注法加固系统示意图

2.3 加固材料与设备

2.3.1 加固材料

聚氨酯加固材料由多异氰酸酯和聚醚多元醇两种组分以1:1的比例构成。材料具有良好的流动性和渗透性，在泵压作用下能够沿裂隙渗透到较大范围的破碎煤岩体内。材料在裂隙内发生反应，体积膨胀并迅速固化，形成硬质聚氨酯树脂泡沫，并与周围煤岩粘接成一个整体。树脂泡沫具有良好的弹性和缩性，受外力时可产生压缩变形，但不会脆裂。

2.3.2 加固设备

加固设备应与使用的加固材料及加固工艺相适应。对双组分加固材料选用的设备应具有与材料配比相同的比例同步连续或脉动排出双组分材料的能力。

聚氨酯加固材料通常使用YZB63.2.32型压注泵和PUT-MZl型电动泵分别与压注法和锚注法进行配套使用。YZB63.2.32型压注泵的主要技术参数：驱动压力 28MPa；工作压力 0～20MPa；排量 0～16L/min；往复频率0～90次/min。PUT-MZl型电动泵主要技术参数为：电机功率1.5kW；转速715rpm；电压配置380/660V；防爆等级dI；双工作泵排液比1:1，总排量0～9L/min；出口压力0～0.8MPa；整机质量150kg；外形尺寸950mm×460mm×800mm。

2.4 劳动组织及注意事项

针对化学注浆加固法工序较复杂，施工人员及使用设备较多的情况，为避免影响正常生产，应尽可能在准备班施工，并安排平行作业。每种工艺施工所需人员：打孔2人，开泵、拆装管路及安装木锚杆2人，封孔2人，运料4人，维修工1名。施工过程中严格按施工工艺操作，要有专业技术人员进行指导。盛放两种组分材料的料桶及运料用具必须单独使用，严禁混用，以防材料在使用前发生反应。加固工程为间断施工，间隔72h以上时，施工结束后应用机油清洗压注泵，使双工作缸吸排机油，清洗时间不少于10min。

3 结语

针对33上07边角煤工作面进行的化学注浆加固技术加固控制效果理想。利用玛丽散气泵通过花管向破碎煤体内注液，提高破碎煤体的整体性和抵抗力。聚亚胶脂注入松软煤体凝固后，破碎煤体凝结为一体，提高了自稳能力和力学性质。聚氨酯材料具有发泡膨胀能力，适合锚注法施工，并且锚注效果良好。在采用压注法施工时，由于聚亚胶脂材料流动性好，凝固时间长，尤为适合深孔压注法施工。