黃 輝 郝兵元 魏 紅

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西太原，030024)

綜采工作面在煤質(zhì)松軟、頂板破碎程度嚴(yán)重、采高較大等條件下，常出現(xiàn)煤壁片幫的現(xiàn)象，特別是煤壁弱面發(fā)育，片幫程度更嚴(yán)重［1］。煤壁片幫不但制約工作面的生產(chǎn)效率，同時(shí)也增大了支架的端面距，使得無支護(hù)區(qū)域面積增大，不利于頂板的控制和管理。對于支架而言，煤壁片幫引起的頂板破碎等一系列問題，可能會導(dǎo)致支架不接頂，或接頂不實(shí)、陷底，也有可能出現(xiàn)支架蹬空、倒架或歪架等現(xiàn)象［2-4］。因此煤壁片幫給工作面頂板的控制和管理帶來很大的安全隱患，同時(shí)也影響工作面的正常生產(chǎn)及推進(jìn)速度。

孤島工作面由于其自身的因素，煤壁片幫問題成為首要解決的問題之一。目前解決該問題的主要方法有［5］:①加快工作面推進(jìn)速度，一部分區(qū)域煤壁還沒有來得及發(fā)生大面積片幫時(shí)，工作面就已經(jīng)推過。雖然提高工作面推進(jìn)速度一定程度上解決了該問題，但該方法自身也產(chǎn)生了很多不利因素，比如生產(chǎn)銜接不到位，頂板支護(hù)不及時(shí)等。②及時(shí)支護(hù)，預(yù)先在工作面煤壁補(bǔ)打木錨桿或玻璃鋼錨桿，但是這種補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方式增加了生產(chǎn)成本。③注漿加固，該方法是控制片幫的主要方法之一，由于大多采用的是有機(jī)化學(xué)漿液，所以成本較高。④其他方法，比如使用臺階式割煤工藝、提高支架初撐力、降低采高等措施，這些方法只能解決部分問題，依然滿足不了實(shí)際需要，因此現(xiàn)場應(yīng)用較少。

本研究在注漿方法的基礎(chǔ)上［6-7］，將注漿材料替換成超細(xì)水泥，并加入了適量的膨脹劑，不僅節(jié)省了生產(chǎn)成本，也提高了漿體的膨脹性能，使超細(xì)水泥漿體在煤體中的擴(kuò)散作用增強(qiáng)，與煤體的結(jié)合能力變大。通過在某礦K8113工作面現(xiàn)場運(yùn)用情況來看，取得的效果顯著。

1 注漿材料性能研究

采用雙漿分注工藝，漿液主要組成為A、B2種物料，A物料是一種以硫鋁酸鹽熟料為主的無機(jī)膠凝材料，B物料為多組分無機(jī)礦物材料;同時(shí)向B物料漿體中加入一定量的膨脹劑SCA，膨脹劑90%以上組成為CaO，膨脹劑的量不超過B物料質(zhì)量的5%。膨脹劑、A物料、B物料95%以上的粒度在0.5～50μm之間。漿液以水為流動分散載體。

1.1 漿液黏度及凝結(jié)時(shí)間

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用馬氏漏斗黏度計(jì)測量A、B物料的黏度，用凝結(jié)時(shí)間測定儀測凝結(jié)時(shí)間，同時(shí)加入少量的外加劑AB或BA來調(diào)整黏度與凝結(jié)時(shí)間。漿液黏度及凝結(jié)時(shí)間測試結(jié)果如表1所示。

表1 漿液黏度及凝結(jié)時(shí)間Table1 Schedule doe slurry viscosity and coagulation

從表1可以看出:①混合漿液的流動性隨著水灰比的增大而增強(qiáng)，然而其凝結(jié)時(shí)間卻隨之延長;②水灰比相同時(shí)，流動性隨外加劑量的增加而增加，凝結(jié)時(shí)間隨之延長;③現(xiàn)場實(shí)踐證明，混合漿液凝結(jié)時(shí)間控制在30 min以內(nèi)較為合理，能滿足工作面片幫區(qū)域?qū)ψ{加固工作的要求［8］。因此選擇最佳水灰比時(shí)，首先要保證凝結(jié)時(shí)間處于合理區(qū)間內(nèi)，同時(shí)盡可能使?jié){體的流動性強(qiáng)，表1中水灰比為1時(shí)，黏度值中等，流動性處于較好水平，凝結(jié)時(shí)間在3～30 min之間，滿足工程要求，因此該條件下的漿體最適合實(shí)際需要。

1.2 超細(xì)水泥固化前后體積變化

為研究超細(xì)水泥固化前后膨脹性能的變化，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)設(shè)計(jì)了如下測量過程:分別取100 mL超細(xì)水泥A漿液、B漿液混合和5 mL膨脹劑漿液，倒入底面直徑為100 mm的透明塑料容器內(nèi)，記錄液面高度h1;經(jīng)24 h固化反應(yīng)以后，記錄上底面高度h2。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 固化前后體積變化Table2 Volume change before and after solidify mm

從表2中可知，未加入膨脹劑的超細(xì)水泥漿體固化前，液面高度198.5 mm，固化后為213.2 mm，體積膨脹率為1.074，即固化后超細(xì)水泥的體積是固化前體積的1.09倍;加入5 ml的膨脹劑后，液面高度為204.8 ml，固化后為241.5 mm，體積膨脹率為1.179。因此可知，加入少量的膨脹劑，可以提高超細(xì)水泥的膨脹性能，增強(qiáng)漿體與煤的結(jié)合力。

1.3 注漿對煤體抗壓強(qiáng)度變化影響研究

煤體發(fā)生片幫的主要原因是周圍巖體對其擠壓［9］，因此注漿前后煤體抗壓強(qiáng)度是否發(fā)生變化、變化程度的大小是本研究的重點(diǎn)，也是判斷超細(xì)水泥能否應(yīng)用于孤島工作面煤壁片幫的依據(jù)。

在某礦K8113工作面不同位置取若干煤塊，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制得規(guī)格長×寬×高為50 mm×50 mm×100 mm的試件，在WE－300型液壓材料試驗(yàn)機(jī)測定抗壓破壞載荷，以此計(jì)算煤的抗壓強(qiáng)度?，F(xiàn)場試驗(yàn)情況與抗壓實(shí)驗(yàn)時(shí)間－負(fù)荷曲線如圖1和圖2所示，煤樣抗壓試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

將超細(xì)水泥與煤制得如圖3所示的黏結(jié)骨料［10］，規(guī)格長×寬×高為50 mm×50 mm×100 mm。其中煤塊粒度為30～40 mm，占總質(zhì)量的70%以上。72 h后在試驗(yàn)機(jī)上測其抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖1 煤樣抗壓試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.1 Com pression testing of coal sam p les photos

圖2 抗壓試驗(yàn)時(shí)間－負(fù)荷曲線Fig.2 Compression test of time－load curve

表3 抗壓試驗(yàn)結(jié)果Table3 Com pression test of time－load curve

圖3 煤與超細(xì)水泥黏結(jié)骨料內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Internal structure of coal and m icro－fine cement bonded aggregate

由表3和表4的試驗(yàn)結(jié)果對比可知，煤與超細(xì)水泥黏結(jié)骨料抗壓強(qiáng)度比K8113工作面片幫區(qū)煤體的抗壓強(qiáng)度增加了5.63 MPa，增大了2.52倍。

2 工程應(yīng)用

2.1 地點(diǎn)概況

某礦K8113工作面為81采區(qū)的孤島工作面，四周均受采空區(qū)的影響。該工作面開采15#煤層，平均厚度6 m，采高3 m，采放比為1∶1，回采沿頂板推進(jìn)，日推進(jìn)量為1.6 m。該煤層質(zhì)軟、疏松，回采期間煤壁片幫嚴(yán)重。

表4 K 8113煤與超細(xì)水泥黏結(jié)骨料抗壓試驗(yàn)結(jié)果Table4 Compressive test results of K8113 coal and m icro－fine cement bonded aggregate

2.2 注漿孔設(shè)計(jì)

在工作面順槽內(nèi)布置3排梅花式注漿鉆孔，使用封孔器封孔，封孔深度為0.5 m。下排孔距底板1.0 m處，角度水平向下15°，孔間距1.5 m;中排孔距底板2.0 m處，垂直于煤壁，孔間距1.5 m;上排孔距底板3.0 m處，角度水平向上30°，孔間距3m。以上孔深均為4 m，孔徑42 mm，注漿壓力3～5 MPa。注漿孔設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 注漿孔設(shè)計(jì)Fig.4 Grouting hole layout

2.3 注 漿

超細(xì)水泥采用雙液注漿方式進(jìn)行，水灰比為1∶1，加入5%左右的膨脹劑。

2.4 注漿效果分析

注漿孔鉆好以后，采用TYGD10巖層鉆孔探測儀窺視孔內(nèi)情況如圖5所示。注漿后，24 h后在注漿孔附近1 m處補(bǔ)打鉆孔，窺視孔內(nèi)情況如圖6所示。

圖5 未注漿時(shí)鉆孔窺視圖片F(xiàn)ig.5 Drilling peep picturesw ithout grouting

圖6 注漿24 h后鉆孔窺視圖片F(xiàn)ig.6 Drilling peep pictures after 24 h grouting

圖5中，孔深0.83 m和1.53 m處，孔壁破碎嚴(yán)重，錯位、斷裂痕跡明顯;從圖6中可以看出，注漿24 h后孔壁顏色泛白，有被超細(xì)水泥漿體充填過的痕跡，0.83 m處錯位、斷裂基本被漿體充填，1.53 m處的錯位、斷裂也已經(jīng)消失。圖5和圖6相比，可得出以下結(jié)論:在煤壁片幫嚴(yán)重區(qū)域內(nèi)，煤體完整性較差，內(nèi)部的斷裂、破碎、裂隙發(fā)育等現(xiàn)象明顯;通過向片幫區(qū)注入超細(xì)水泥漿體24 h后，漿體經(jīng)孔內(nèi)裂隙流向周圍煤體，這樣煤體與孔隙通過漿體被黏合在一起，重新構(gòu)成完整的整體。

3 結(jié)論

(1)混合漿液的流動性隨著水灰比的增大而增強(qiáng)，然而其凝結(jié)時(shí)間卻隨之延長;水灰比相同時(shí)，流動性隨外加劑量的增加而增加，凝結(jié)時(shí)間隨之延長;水灰比為1時(shí)，使用效果最佳。

(2)未加入膨脹劑的超細(xì)水泥漿體體積膨脹率為1.074，而加入少量的膨脹劑，漿體體積膨脹率增至1.179，由此推斷:膨脹劑增強(qiáng)了超細(xì)水泥的膨脹性能。

(3)煤體抗壓強(qiáng)度僅為2.234 MPa，加入超細(xì)水泥后，抗壓強(qiáng)度增加了5.63 MPa，增大2.5倍，因此超細(xì)水泥能夠滿足工作面防治片幫的要求。

(4)在煤壁片幫嚴(yán)重區(qū)域內(nèi)，煤體完整性較差，內(nèi)部的斷裂、破碎、裂隙發(fā)育等現(xiàn)象明顯;通過向片幫區(qū)注入超細(xì)水泥，漿體經(jīng)孔內(nèi)裂隙流向周圍煤體，這樣煤體與孔隙通過漿體被黏合在一起，重新構(gòu)成完整的整體。由注漿前后效果對比可知，注漿防治煤壁片幫效果明顯，因此超細(xì)水泥防治孤島工作面煤壁片幫是可行的。

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