破碎煤岩体化学加固成套技术与工程应用
杨景贺 宁宇 魏景云 李纪青
摘 要：破碎煤岩体治理一直是煤矿井下采掘施工中无法回避的技术难题，本文总结了开采所事业部在破碎煤岩加固技术方面的研究成果，论述了破碎煤岩化学加固机理，介绍了化学加固工程材料、设备及施工工艺，结合典型工程案例分析了化学注浆加固和聚氨酯木锚杆加固的适用条件。
煤矿井下采掘施工过程中，由于地质构造、原生裂隙及采动影响等形成的破碎煤岩体，往往引起采掘工作面的片帮、冒顶，影响安全生产，特别是随着采掘机械化程度的不断提高，这类问题严重制约了设备效能的发挥和生产率的提高。国外20世纪70年代就已广泛使用了化学加固技术，如德国、法国、俄罗斯等国开发了多种化学加固材料和配套施工机具，化学加固材料年消耗量在几百到数千吨，已作为常规技术应用于煤矿日常生产。开采所从1983年开始对破碎煤岩体化学加固技术进行了深入研究。在化学加固材料、设备及施工工艺等方面形成了一整套完善的实用技术，已累计进行破碎煤岩体化学加固工程30余项，分布在徐州、兖州、平顶山、开滦、大同、邯郸等局，效果显著。
1 化学加固材料
1.1 加固材料的种类
岩土工程中使用的加固材料分为颗粒型的水泥类材料和纯液态的化学材料，加固材料特点见表1。
1.2 化学加固材料性能
化学加固材料的品种较多，包括环氧类、聚氨酯类、丙烯酰胺类、脲醛类、木质素类及水玻璃类等，目前化学加固材料有脲醛加固材料和聚氨酯加固材料两种，材料性能见表2。
2 化学加固施工工艺、设备及参数
2.1 化学加固施工工艺
经过大量的工程实践，化学加固技术已形成针对不同条件的两套完整的施工工艺，即化学注浆加固工艺和聚氨酯木锚杆加固工艺，工艺系统如图1、图2。
2.2 化学加固设备
国外化学加固设备品种较齐全，有液动、电动、气动各种驱动方式，及不同排量的注浆泵。国内只有仿德国的YZB63.2.32型液动注浆泵和PUT型电动泵配合不同工艺使用，加固设备的主要技术特征见表3。
2.3 化学加固参数
化学注浆加固效果取决于加固材料在破碎煤岩体内的扩散范围。主要参数是注浆压力Pz、注浆速度Sz、单孔注浆量Qz，它们最终决定了一个钻孔的材料扩散范围，上述参数分别由下式确定[1]：
式中：R—材料在煤岩体内的扩散半径，m；r0—为注浆钻孔半径，m；m—煤岩体的有效孔隙率；—加固材料密度，kg/m3；k—煤岩体渗透系数，m/s；—钻孔有效注浆长度，m；t—注浆时间，s。
聚氨酯木锚杆加固的主要技术参数包括钻孔长度、单孔材料灌注量，分别由下式确定：
式中：
—加固周期工作面进尺，m；C—相邻加固周期的加固重迭量，0.5m；a—加固钻孔仰角；K—材料损耗系数，1.3~1.4；SR—钻孔截面积，m2；Sm—木锚杆截面积，m2；b—封孔尺寸，0.15~0.2m；
—加固材料度，kg/m3；n—加固材料发泡倍数，3~4。
3 典型工程应用[2] [3]
3.1 综放工作面断层破碎带加固
石嘴山矿务局二矿2266综放工作面煤层硬度f=1.1~1.4。工作面内有两条斜交正断层F2210、F2211。F2211落差达0.9~2.0m。1994年6月对F2211正断进行了聚氨酯注浆化学加固。钻孔布置如图3，加固技术参数见表4。加固后工作面顺利通过了断层带，未发生冒顶事故实现了正常的放顶煤开采。
3.2 工作面切眼扩帮顶板注浆加固
邢台矿务局显德汪煤矿1721综采工作面切眼3.5×2.4m2。因煤质松软，顶板泥质页岩裂隙发育，极不稳定。为安装设备切眼需扩帮至6.4×2.4m2，冒顶严重，施工困难。1995年11月对切眼顶板进行了聚氨酯注浆化学加固，加固参数见表5。加固后切眼扩帮时顶板稳定，未发生冒顶事故。
3.3 综放面三角顶煤加固
邯郸矿务局云驾岭煤矿22110综放工作面，煤层平均厚度3.6m，硬度f=2.3。因节理裂隙发育，顶煤极易冒落。工作面顺槽及切眼全部沿顶掘出，形成了无顶煤可放的局面。为实现正常的放顶煤回采工艺，工作面需进行下扎并维护三角顶煤，如图4。1987年10月采用聚氨酯木锚杆加固方法对工作面的三角顶煤进行了化学加固。加固后工作面煤壁稳定，片帮深度及范围明显减小，保留了完整的三角顶煤实体，支架接顶状况良好，保证了放顶煤回采工艺的正常实施。加固技术参数见表6。
4 化学加固效果与作用机理
4.1 化学加固效果
化学加固效果测试结果见表7、表8。
在实践基础上进行了化学加固作用的有限元计算[4]，得到破碎煤岩体化学加固前后最大主应力和最小主应力分布曲线分别如图5、图6。
实际观测和理论计算表明：注浆加固后破碎煤岩的完整性系数大幅提高，承载能力增大，最大主应力向煤壁移近。注浆加固能够明显提高破碎煤岩体的整体稳定性，可以作为破碎区巷道掘进时周边及断层等大型地质构造带破碎煤岩体的加固措施，并经实践证明其良好的技术性能。聚氨酯木锚杆加固区域，承载能力得到加强，能够吸收部分集中应力，破碎煤岩体完整性系数有较大提高，可有效控制煤壁的片帮。
由控顶区顶板最小主应力分布情况可以看出，加固后顶板受力状态明显改善，近水平方向的最小主应力由拉应力向压应力转化，有利于使直接顶处于压力拱平衡状态，提高了顶板了的稳定性。
4.2 化学加固作用机理
综合分析化学加固效果的实际测试和理论计算，化学加固具有粘结、挤压及锚固等多重作用，即：固化后的材料在破碎煤岩体内形成网状整体，加固材料对周围破碎岩块具有较高的粘结力，使破碎岩块形成一个新的整体。加固过程中材料或靠泵压或靠自身反应膨胀压力，对破碎煤岩节理裂隙具有较强的渗透挤压作用，使加固后的破碎煤岩体完整性系数显著提高。加固后的破碎煤岩体，被材料充填的裂隙其端部应力集中被削弱；顶板围岩由水平拉应力向压应力转化，增大了体系的平衡稳定性。钻孔内注浆管或木锚杆与加固材料及固结的破碎煤岩形成一体，沿孔深方向拉住被挤压的松散体，对控制裸露煤岩体的脱落起重要作用。
5 结论及展望
理论计算和大量的工程实践证明，化学加固破碎煤岩体能够显著提高破碎煤岩体完整性，改变了破碎煤岩体原有的力学机制，对破碎煤岩体具有粘结、挤压和锚固等多重作用，效果显著，工艺成熟，必将在今后破碎煤岩体加固治理过程中得到广泛应用。
化学加固技术还需要不断完善，包括：进行化学加固材料研究，开发粘度低，渗透能力强的适合裂隙发育不完整的软煤岩破碎体的加固材料及适合含水量较大的破碎煤岩体的堵水加固材料；开发多品种适于化学加固施工的配套机具及化学加固现场检测技术和相关设施；加强化学加固的理论研究，实现工程施工的优化设计。
