顶煤和煤帮化学加固控制技术优化

在边角煤综放开采过程中，集中应力的作用有利于顶煤体的破坏，提高了顶煤体在放出前的破碎程度，有利于顶煤体的放出。但是，超前破碎的顶煤体容易造成工作面煤壁失稳，产生煤壁片帮，引起端面顶煤的冒落。因此，根据边角煤综放开采特点，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。

（1）压注法加固上下端头煤体

①加固参数的确定。

压注法加固主要技术参数包括：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。

压注法加固端头煤体时，以加固上部煤体和顶煤为主，在破碎区布置单排钻孔，孔口距底板2m，注浆压力4～8MPa，保证材料既有一定的渗透压力又不引起煤体的二次压裂。化学材料反应速度快，单孔注浆不宜超过60分钟，同时注浆速度不宜过快，防止材料反应前由于挤压引起破碎煤体坍塌，一般单孔注浆时间30～40分钟。单孔注浆量按下式确定：

式中：Qz——单孔注浆量，kg；

　　　R——材料在煤岩体内的扩散半径，R=2m；

　　　n——破碎煤岩体的有效孔（裂）隙率，通常n=（1～2）×10-3，取n=1.5×10-3；

　　　v——加固材料密度，v=1200kg／m3；

　　　l——钻孔有效注浆长度，取l=7m。

压注法加固主要技术参数见表5.1。

表5.1　压注法加固主要技术参数

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。

根据边角煤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重点区域。端头煤体加固分别在上下顺槽超前工作面进行。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加固。

压注法加固工艺系统如图5.1所示。工艺过程分为钻孔、封孔、注浆等几道主要工序。

图5.1　压注法加固工艺系统

①碎裂煤、岩体；②钻孔；③注浆钢管；④封孔布包；⑤封孔软管；⑥封孔三通；⑦注液三通；⑧黑料液管；⑨白料液管；白料液桶；黑料液桶；液动泵；泵进液管；泵回液管；排料管

根据工作面端头煤体加固钻孔布置方案在相应位置打钻孔②，用封孔布包④包住注浆管③，在布包④内插入封孔软管⑤，将注浆管③、布包④及封孔软管⑤一起插入钻孔，注浆管③在孔外漏出螺纹端长度100～150mm。将压注泵的排液管⑧、⑨分别通过封孔三通⑥与软管⑤连通。在料桶、内分别装入加固材料的两个组分，开动压注泵向布包④内注液封孔。封孔后1小时以上，待封孔材料全部反应并具有一定强度后，将压注泵排液管⑧、⑨分别通过注液三通⑦与注浆管连通，开动压注泵注浆。注入一定材料后停泵，并拆除相应管路，单孔注浆加固完毕。注浆管与加固材料固结成为一条全长锚固的锚杆。

（2）锚注法加固工作面煤壁

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。

以南屯煤矿93上01综放工作面为例，该工作面要达到日产万吨，需日割煤18循环以上。故准备班应尽可能加大锚注深度，但同时考虑施工操作空间、成孔难易程度及超前压力对材料渗透能力的降低，孔深也不宜过长。井下试验将视煤壁状况对片帮冒顶区及已知构造区进行不同孔深的锚注加固。根据破碎区宽度和煤壁片帮高度进行钻孔布置。钻孔布置参数见表5.2。

表5.2　锚注法加固技术参数

锚注法加固煤壁时，所有钻孔与工作面走向平行，孔径42mm，封孔长度0.2m，木锚杆截面Sm=20mm×30mm，单孔加固材料注入量按下式计算。

式中：Q——锚注法加固单孔材料注入量，kg；

　　　n——材料体积占孔内剩余空间的有效体积比，80%；(www.xing528.com)

　　　k——材料损耗系数，1.05%；

　　　SR——钻孔截面积，孔径φ=42mm，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；

　　　r——加固材料密度，r=1200kg／m3。

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5.2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。

在工作面片帮冒顶区及破碎区煤壁相应位置按设计布置钻孔①，装入捆有注液管④的木锚杆②，用封孔炮泥封孔。在电动泵两只液箱、内分别装入加固材料的两个组分，工作泵⑨、的排液口经三通⑦与混合器⑤相连。混合器排液口与注液管④连通后，开动电动泵向孔内注入加固材料，注入加固材料量为钻孔体积的80%左右时停泵，断开混合器和注液管并扎接注液管，单孔注液完毕。由专人封堵孔口，捣实封泥。

图5.2　锚注法加固系统

①钻孔；②木锚杆；③封孔胶泥；④注浆管；⑤混合器；⑥螺旋车削；⑦三通；⑧排料管（聚醚）；⑨聚醚工作泵；聚醚料箱；减速箱；电机；异氰酸酯工作泵；异氰酸酯料箱；排料管（异氰酸酯）

加固材料在钻孔内发生化学反应，体积膨胀。在膨胀压力作用下，材料向钻孔周围裂隙渗透。反应结束后，沿孔深方向形成包含木锚杆和实体煤的直径200～300mm的不规则柱状锚体。

（3）加固材料与设备

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。

南屯煤矿已向浩珂伟博公司订购部分聚亚胶脂加固材料——马丽散和加固设备。在室内进行了加固材料性能对比实验，材料的主要技术特征和对比实验结果见表5.3。

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型液压压注泵和PUT-MZ1型电动泵分别与压注法和锚注法施工工艺配套使用。

表5.3　化学加固材料技术性能及室内实验结果

YZB63.2.32型液压压注泵，以乳化液泵站为动力源，驱动压力28MPa，工作压力0～20MPa，排量0～16L/min，往复频率0～90次/min，可无级调速。整机质量150kg，外形尺寸1500mm×385mm×288mm。

PUT-MZ1型电动泵电机功率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；料箱容积2×22L；整机质量150kg；外形尺寸950mm×460mm×800mm。

复合型气泵（浩珂伟博产品）以压风为动力，供风压力0.2～0.7MPa；耗气量2m3/min；最大出口压力与风压比34∶1；转速40rpm时排液量7L/min；外形尺寸1420mm×520mm×520mm；整机质量100kg。

聚氨酯注浆加固所需设备如表5.4所示。

表5.4　聚氨酯注浆加固设备一览表

（4）劳动组织及注意事项

化学加固煤岩体工序较复杂，施工人员及使用设备较多，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人。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72小时以上时，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10分钟。