唐山矿区回采工作面内顶板岩层物理

唐山矿区回采工作面内顶板岩层物理【摘要】随着唐山矿开采环境的恶化，局部煤层顶板破碎难以支护，为了维护顶板的完整性，为矿山安全生产创造有利条件，本文特提出采用物理-化学方法对顶板岩层加固。

【关键词】顶板；岩层固化；物理加固；化学加固

0 概况

唐山矿区位于开平煤田西北翼的西南端，地层走向为北东、南西，是我国华东华北地区的冶金与化工工业提炼焦煤的重要供煤基地。自1878年建矿以来，经过130多年的采掘，其开采中心已经逐步由东北部地区移向西南部的岳胥区。岳胥区具有大采深，急倾斜等特点，矿山地质条件变得非常复杂。其煤田地质构造、岩相组分、煤层及顶底板岩石物理、力学性质均发生变化，造成了煤层开采条件的恶化、工作面产量降低。

为解决此问题，本文提出了利用物理-化学加固方法对顶板岩层进行固化，建立有效的作用于“煤层-顶板”岩体的固化工艺体系。其中，列述了有关工艺方法，并对矿体注浆的措施及参数选择提出了建议。

1 树脂浆液选择的基本要求及原则

1.1 浆液是一种结构液体，液体特性基本决定了注浆工艺、渗入矿体的深度及岩体加固质量，因此，把浆液的物理化学性质看成是所研究课题的工艺和强度特性的必要保证。

在工艺方面，所研究的浆液特性应能保证使用普通注浆设备和

批量生产的检测仪器，以及所需的渗透性能和注浆设备工作的可靠性（无事故）。

1.2 应用浆液加固岩体强度特征要求

采用水泥浆液时，应能实际消耗或大大减少厚煤层开采时上分层岩层冒顶事故，也就是通过不规则的往已冒落岩石内注水泥浆，形成下分层人工假顶，这点对煤田西部尤为有效。因为那个地区密布着小的地质断层网，它往往将岩石挤落到老塘里。考虑到机械化采煤机组对顶底板岩层的比压，水泥浆液试块抗压下限取

25-30kmpa，也就是不低于压碎底板岩层面的容许强度。

对化学浆液加固的矿体质量（强度）要求如下：应当认为决定薄松软岩层顶板是否加固的指标不是试块的抗压强度，而是粘结面的抗拉强度。一般认为该矿井顶板强度低的主要原因是由于各分层之间粘结力不够，产生离层而造成的，采用化学注浆可以大大提高岩体的抗压强度，因为大多数岩体本身的这项指标高于粘结化合物的强度。因此对多层松软顶板岩石体作用的主要效果是提高分层之间的结合力，这种力能够维持距工作面1.2米（一般到第一排液压支架）以内的顶部岩石不产生离层。这样在煤层上方形成组合岩梁。根据理论分析，这种岩梁比同等厚度的整体岩梁具有更大的强度。这种梁是整体承载结构。在该结构中，固化树脂起着必需的横向联结作用（垂直于层面），应该特别指出，组合梁是非静力承载结构，而是随着时间的推移，承载能力有一定的变化，因此，在理解顶板加固机理方面，时间因素起着重大的作用。尤其组合梁形成时刻和

组合梁工作的必需时间，在很大程度上决定了结构强度。例如，如果注浆不及时，这时分层裂隙发展很快。当粘结化合物的厚度增加时岩层粘结强度下降，加固作用根本表现不出来。如果，已加固的顶板需要工作很长时间，也就是当顶板的自由跨度很大时，由于不可避免地产生了离层，就失去了加固的作用。

因此，提出了具体任务：通过顶板及工作面煤壁化学注浆所达到的加固，至少应该保证第一排立柱内的下分层的稳定。这意味着当综合机械化工作面最低月进为60米时，已经加固的顶板在12小时内（不少于）应该保持稳定。同时，最好在顶层岩石开始离层之前往岩体内注浆。

井下实验表明，通过炮眼或长钻孔注浆约需5～10min到5h。因此所用浆液的活动性应足以防止浆液在注浆泵及管内凝固。研究和选择混合液体的特征与成分时，要同时考虑上述特点及对化学浆液的要求。

再一点，为加固采煤工作面顶板及大规模进行加固注浆，合成树脂中最为常用的是聚氨酯，它在井下使用无毒。在正常温度下，在含水层中能够凝固，材料不稀缺。根据提出的任务，在实验条件下研究了国产的聚氨酯树脂浆液。以甲醛树脂为基础的浆液包含树脂本身、固化剂和水。根据需要还含有稳定剂和增塑剂。

1.3 考虑到井下注浆的特点，对浆液特性的具体要求如下

树脂浆液的粘度不宜过高，向岩体内的渗透能力要高。浆液的活动力（由往浆液内加固化剂到胶凝时间）应为0.1-5h，也就是在

注浆结束前足以将浆液送入钻孔或炮眼内而不发生固化。

活动力和凝固时间（浆液由液体过渡到凝固状态所需时间）根据回采工作面进度选定，一般在钻孔预注浆时，不超过1昼夜，而通过炮眼注浆时为5-10min以上。

2 岩体“煤层-顶板”物理-化学加固的工艺方法

在每一具体场合，岩体加固工艺方式，注浆方法是根据矿山地质条件及需要加固地段的矿山技术因素确定的。为适应上述条件，选择钻孔、封孔及注浆设备。

岩石与煤的岩石学及煤岩组分，它们物理-化学性质，地质构造、裂隙，岩体层理，煤层厚度及倾角，属于自然因素。工艺因素包括：工作面长度及推行速度，煤层采高，允许的空顶宽度和面积，煤层顶板的护顶煤皮厚度。

2.1 根据上述，制定与核准了七种顶板岩石与回采感冒煤壁加固注浆钻孔（炮眼）的基本布置方式

第一种，由轨道和运输顺槽钻孔，此时，每对钻孔总长度大于工作面长度，以便造成“重叠带”，而所打的钻孔纵向轴心互不重合。用化学注浆或水泥浆法加固裂隙发育易冒落、岩石粘着很差的伪顶时，可采用这种方式。

该方式的优点为：1钻孔长度相对较短，这样的长度是最好的，可避免定向钻进的复杂性。2为加固工作面中部最不稳定的顶板创造了条件；3由于是两台设备同时进行工作，缩短了钻孔注浆时间；4顶板岩石赋存不稳定时，减少了钻孔偏斜的可能性；5在工作面

较长时有可能采用这种方式。

第二种，从运输顺槽或轨道顺槽钻孔。在工作面长度较短（40-50米）和岩石赋存稳定时建议采用这种方式。

第三种方式与第二种不一样。这种方式可用在巷道两帮的松软及半破碎岩石内。在两帮内钻孔封孔有困难或实际难以实现时也可以用此法。因此这种方法是以0.490332-0.980665kmpa低压经5米钻孔依次注入凝浆液加固巷道两帮，在巷道两帮形成加固带，从而能在以后经受长钻机，以2.942-4.9035kmpa的工作压力进行正常注浆。

第四种方式的特点是考虑顶板岩石裂缝呈伪倾斜方向，钻孔与工作面呈一定角度斜交布置。同时，钻孔垂直于裂隙主方向，使顶板加固效果最好。可以从运输顺槽或轨道顺槽或自双向打孔。

第五种方式与第四种方式的区别在于预先加固巷道两帮。

按照第六种方式选择钻孔方向时，考虑了便于向破碎带内注浆，同时从破碎带的邻近顺槽处打眼。

第七种方式是直接向工作面打短眼，向松软破碎的顶部岩石及工作面煤壁内注浆加固。同时，为了避免在工作面内造成不必要的停产，建议打眼及注浆工作在检修安装班进行。

第七种方式在需进行工作面顶板和煤壁局部（与工作面垂直或呈大角度的小断层，工作面与顺槽联结处加固煤挤出严重）加固尤为有效。

2.2 根据注入量和加固岩体的浆液凝结及硬化时间的不同，可