煤壁柔性加固工艺参数优化试验研究

杨胜利，杨 毅,3

(1.中国矿业大学(北京) 能源与矿业学院，北京 100083; 2.放顶煤开采煤炭行业工程研究中心，北京 100083; 3.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102211)

煤壁稳定性控制是长壁工作面采场围岩控制的重要内容，对煤壁稳定性控制的关注是随着综合机械化大采高开采在我国的推广应用开始的[1]。为了保证工作面安全高效回采，除了需要有可靠的设备外，还需要有稳定的回采空间，即工作面煤壁和顶板要稳定。近年来，一方面，随着浅部煤炭资源的枯竭，煤炭开采逐渐向深部转移;另一方面，随着综合机械化装备制造水平和工作面管理水平的逐步提高，采用大采高开采的矿井越来越多，并且开采高度逐渐增大。深部开采和大采高开采对采场围岩结构的稳定性提出了新的挑战。随着开采深度和采高的增加，工作面煤壁失稳现象愈发突出，给工作面人员安全和生产效率的提高带来严重威胁。

针对工作面煤壁破坏问题，国内外学者做了大量研究工作且取得了显著的成效。经过多年的发展，对煤壁破坏的关键因素已达成共识，认为煤体的性质、采高、煤层倾角、支架工况、推进速度等因素是影响煤壁稳定性的主要因素[2-6]。在煤壁破坏机理方面，有学者根据煤壁的应力环境不同，提出了煤壁压剪破话、拉剪破坏、拉裂破坏等3种煤壁破坏形式，认为在硬煤煤壁容易发生后两种破坏方式[7];有学者以卸荷岩体力学和断裂力学为基础，建立了煤壁稳定性力学模型，认为煤壁失稳是由于煤体内裂隙扩展、联合导致的[8];有学者将滑移线理论引入煤壁稳定性分析中，得到了煤壁破坏的潜在范围[9]。在煤壁破坏防治方法方面，有学者认为软煤层可以通过煤层合理注水来提高煤体的黏聚力和抗剪强度，进而提高煤壁的稳定性[10-11];有学者认为煤壁破坏是由于煤壁压力过大造成的，所以通过提高支架工作阻力和刚度可有效缓解煤壁压力，减少煤壁破坏发生[12-13];有学者认为通过化学浆液聚氨酯、树脂浆、波雷因、新型无机注浆材料、超细水泥、高水速凝材等浆液对煤壁进行注浆加固，可有效提高煤壁煤体强度[14-20];也有学者认为通过使用木锚杆、玻璃纤维锚杆加固煤壁，可有效防治煤壁破坏[21-22];近年来，有学者提出了“棕绳+注浆”柔性加固技术加固煤壁，通过构建柔性棕绳-浆液-煤体本构模型，理论上阐明了柔性材料的适用性，并通过工程应用，很好得提高了煤壁的完整性和稳定性[23-24]。在国外主要是露天开采和井工柱式体系开采，长壁工作面很少，因此他们主要研究煤柱的破坏。在美国煤炭地下开采中，认为当煤柱高度超过2.40～4.05 m时[25-26]，煤柱会出现失稳现象;有学者认为煤柱失稳主要是由于节理贯通造成的[27];也有学者认为当煤柱的顶底板强度高于煤柱本身强度时，煤柱失稳形式可能会有4种:压剪滑移型、重力滑移型、竖向层裂型和沙漏型[28]。

综上所述，通过提高支架工作阻力和支架刚度可有效缓解煤壁破坏的发生，可作为常规的技术手段。但是当煤层所处应力环境较为复杂时，如过断层期间，常规的技术手段往往难以取得较好的效果，因此需要采取注浆、锚杆加固、柔性加固等非常规技术手段。然而传统的煤壁注浆加固或锚杆加固，或存在支护强度低、支护距离短等问题(竹锚杆、木锚杆等)，或存在成本高、工序复杂等问题(注浆加固、玻璃钢锚杆等)。新提出的煤壁柔性加固技术，柔性棕绳可以克服锚杆不易被切割的缺点，柔性棕绳和浆液的联合使用又可以降低注浆成本，并且经过工程应用取得了良好的效果。应用表明:一方面柔性棕绳较大的延伸率可以适应煤壁的大变形[24];另一方面由于柔性棕绳具有较强的韧性和较大的抗拉强度，当煤壁破坏时，柔性棕绳可以悬挂片落煤块，从而防止煤块滑入工作面对人员安全造成威胁。因此研究煤壁柔性加固技术作用机理、确定柔性加固参数、开发低成本的注浆材料，可以更加科学的指导柔性加固技术施工，进一步推进该技术的广泛应用。

1 煤壁柔性加固技术介绍

煤炭的深部开采和复杂条件开采(构造发育、大倾角等)导致采动应力场复杂，采动扰动较大，煤壁破坏表现出一定的不可控性。当采用增加支架工作阻力等常规措施效果不理想时，可采用煤壁柔性加固技术作为非常规技术手段，该方法可以避免片落煤体滑入工作面，从而消除对人员安全和生产的影响，达到煤壁破坏的治理目的。

经过大量调研发现，剑麻白棕绳具有较强的抗拉能力、耐酸碱腐蚀能力和耐摩擦等优质特点。如果能将剑麻白棕绳代替锚杆固定在煤壁一定深度处，一方面增强煤体的强度和整体性，当煤壁发生破坏时，柔性棕绳可以将片落的煤体悬挂，这样就能避免滑体涌入工作面，达到治理目的。基于此将剑麻白棕绳定义为柔性材料，将柔性棕绳配合注浆管对煤壁加固的技术定义为柔性加固技术，即:在煤壁中打孔，然后将一定直径的棕绳和注浆管绑在一起送至孔底，最后注入浆液，使柔性棕绳-浆液-煤体形成柱状的全长锚固体;当煤壁发生破坏时，棕绳可以控制滑体，使滑体不进入工作面，达到不影响人员安全和生产的目的(图1)。

图1 煤壁柔性加固示意Fig.1 Schematic diagram of flexible support

2 煤壁柔性加固机理实验

为了明确柔性加固技术的作用机理及柔性棕绳的作用机制，设计了3台三维相似模拟实验，采用控制变量法，分别研究煤壁无加固条件下煤壁破坏特征(图2(a))、煤壁注浆加固条件下煤壁破坏特征(图2(b))、煤壁柔性加固条件下煤壁破坏特征(图2(c))，通过监测各条件下煤壁横向变形特征(图2)及煤壁破坏片落形态等评价实验效果。

图2 三维相似模拟实验Fig.2 Three-dimensional similar simulation experiment

2.1 实验材料和方法

本实验所采用的设备为自主设计的三维相似模拟实验台，试验箱体尺寸为长×宽×高=0.8 m×0.8 m×0.8 m，相似材料采用沙子、石膏、石灰、水按照9∶0.5∶0.5配制具有一定强度的煤体，水的质量设计为总质量的7%。设几何相似比为1∶10，动力相似比为1∶1.6，模拟工作面采高为5 m。

实验步骤:① 完成模型铺设和设备安装(千斤顶及压力盒);② 按照分级加载原则，采用手动液压泵，每次加压1 MPa;③ 每次加压后，采用手持式激光测距仪测量煤壁横向变形量及顶板下沉量等数据并记录。

2.2 实验结果分析

煤壁破坏前，随着煤壁压力的增大，煤壁横向水平变形逐渐增大(图3)。从变形趋势可知，煤壁柔性加固条件下，横向变形量小于煤壁注浆加固和煤壁无加固条件下的变形量。从数据特征可知，煤壁无加固条件下，当顶板压力增大到B1点时，煤壁发生破坏，此时顶板压力为12 MPa，煤壁的横向变形量为17 mm;煤壁注浆加固条件下，当顶板压力增大到B2点时，煤壁发生破坏，此时顶板压力为11 MPa，煤壁的横向变形量为11 mm;煤壁柔性加固条件下，当顶板压力增大到B3点时，煤壁发生破坏，此时顶板压力为13 MPa，煤壁的横向变形量为13 mm。

图3 顶板压力作用下煤壁横向变形特征Fig.3 Horizontal deformation characteristics of face with roof loading

煤壁破坏后，煤壁无加固条件下煤壁破坏深度为57 mm(图3中A1)，煤壁注浆加固条件下煤壁破坏深度为40 mm(图3中A2)，煤壁柔性加固条件下煤壁破坏深度为20 mm(图3中A3)。所以柔性加固相对于注浆加固条件下破坏深度减小了50%，相对于煤壁无加固条件下破坏深度减小了65%。说明在煤壁柔性加固作用范围内，可以有效的提高煤体的整体性，降低煤壁的破坏深度。从煤壁最终的破坏特征可知，当煤壁无加固时，煤壁发生了整体破坏，中部和上部破坏深度均比较大(图4(a));当煤壁采用注浆加固时，通过横向变形数据分析可知，浆液作用范围内，有效的减缓了煤壁破坏，但是当煤壁压力超过煤壁的极限承载能力时，依然无法避免破坏的发生(图4(b));当煤壁采用柔性加固时，在加固作用范围内，煤体的整体性得到了有效的提高，煤壁破坏深度大幅度降低，并且从图4(c)可以看出，即使煤壁下部发生了严重的煤壁挤出破坏，但是在柔性加固影响范围内，煤体有效的凝聚在一起，发挥了柔性棕绳的作用(图4(c))。

图4 煤壁破坏形态特征Fig.4 Morphological failure characteristics of the face

3 煤壁柔性加固孔径比确定方法实验

3.1 柔性棕绳与浆液的耦合机理

柔性加固煤壁作用机理与锚杆/索加固煤壁作用机理相似(图5)，即利用摩擦力和棕绳-浆液之间的咬合力，一方面使柔性棕绳-浆液-煤体形成整体，另一方面当煤壁破坏时可以克服片落块体的重力，从而避免块体滑入工作面，发挥柔性棕绳的作用。

图5 柔性棕绳-浆液-煤体作用机制Fig.5 Flexible coir rope-slurry-coal body action mechanism

为使浆液更好的渗入煤体，形成柔性棕绳-浆液-煤体整体结构，需要将浆液按照一定的压力注入煤壁钻孔中，此时就会产生柔性棕绳和浆液的相互挤压力P1，浆液和煤体的相互挤压力P2,挤压力的产生可以增加柔性棕绳与浆液、浆液与煤体之间的摩擦力，图5中a为柔性棕绳半径，b为钻孔半径，根据文献[29]可知，P1,P2和a,b有如下关系:

将b∶a定义为孔径比，在注浆压力一定的条件下，随着孔径比的增大，即浆液含量的增加，P1增大，P2减小(图6)。说明当煤壁发生破坏时，如果片落块体的重力大于浆体与煤体之间的摩擦力，小于浆体与柔性棕绳之间的摩擦力，那么柔性棕绳-浆体形成的固结体将会从钻孔中滑落，涌入工作面，从而无法发挥柔性棕绳的作用。所以浆液的含量并非越多越好，而是存在最佳的孔径比，使柔性加固技术效果最好。

图6 不同孔径比条件下挤压力变化特征Fig.6 Variation characteristics of extrusion force under different aperture ratios

3.2 实验方案

基于上述理论分析，设计了“柔性棕绳、浆液、煤体”拉拔试验，以伺服试验机的拉力模拟片落滑体的下滑力，通过测试所得到的拉拔力大小评价试验效果。首先，采用控制变量法研究当钻孔孔径为32 mm，柔性棕绳直径分别为6～26 mm时(梯度为2 mm)柔性棕绳形成全长锚固时拉拔力大小;研究当钻孔孔径为26 mm，柔性棕绳直径分别为8～24 mm时(梯度为2 mm)柔性棕绳形成全长锚固时拉拔力大小。选择孔径为32 mm、柔性棕绳直径为16 mm为例，实验步骤如下:

(1)将煤块破碎成直径≤1 mm的煤粉，称取煤粉6.8 kg,水泥6.8 kg，将煤粉、水泥按照1∶1的比例混合后加入2 720 mL水，搅拌均均并装入混凝土试模中，制成200 mm×200 mm×100 mm的试件。

(2)将试件养护7 d后在试件中间位置钻取直径为32 mm、长度为100 mm的孔。

(3)然后将直径20 mm的棕绳放入孔内，然后将配置好的浆液(马丽散A液、B液各50 g)注入孔中(图7(a))，同时记录浆液初凝时间。

(4)当浆液凝固4 h后使用WAW-600B微机电液伺服万能试验机进行拉拔试验(图7(b))，测试拉拔力。

(5)重复上述实验过程，完成上述实验。

然后，为进一步验证柔性棕绳-浆液-煤体的耦合关系是影响柔性加固效果的关键因素，采用与上文相同的实验方法，采用控制变量法，将实验中的变量设置为钻孔直径，控制棕绳直径不变，即实验选用20 mm棕绳，测试钻孔孔径为30～80 mm(梯度为10 mm)时拉拔力大小(图7(c))。

3.3 实验结果分析

根据上述实验结果可知，在孔径分别为32，26 mm的条件下，蓝色标志点和红色标志点分别为不同直径棕绳条件下的对应的拉拔力大小(图8)。

图7 实验过程Fig.7 Experiment process

图8 不同直径棕绳实验结果Fig.8 Experiment results of different coir ropes

随着棕绳直径的增大，极限载荷均呈现先增大后减小的趋势，孔径为32 mm时，采用18 mm棕绳极限载荷最大，效果最优;孔径为26 mm时，采用16 mm棕绳极限载荷最大，效果最优。实验发现，在钻孔直径一定的条件下，随着棕绳直径的增加，棕绳与浆液的接触面积不断增大，从而棕绳与浆液的摩擦力不断增加，宏观上就表现为极限载荷的增大;但是当棕绳直径大于一定值时，随着棕绳直径的增大，浆液量不断减少，虽然棕绳与浆液的接触面积增大了，但是浆液与煤体之间的摩擦力较小，宏观上就导致极限载荷的减小。

从实验结果可以看出最优孔径比不是一个确定的值，而是一个取值范围，即图8中圈定部分，当钻孔直径为32 mm时，柔性棕绳直径为14～20 mm时拉拔力最大，此时孔径比为1.6～2.3;当钻孔直径为26 mm时，柔性棕绳直径为14～20 mm时拉拔力最大，此时孔径比为1.3～1.9;取两者交集可得当孔径比为1.6～1.9时，柔性加固技术都能取得较为理想的效果。

在验证孔径比是影响柔性加固效果的关键因素实验中(图9)，随着孔径比的增大，极限载荷先增大后减小，该趋势与上文中不同棕绳直径条件的的实验结果是一致的。当孔径比介于1.5～2.0时，拉拔力呈增长趋势。

图9 不同孔径比实验结果Fig.9 Experiment results of different apertures ratios

综合以上两组实验，取实验数据交集得到最优孔径比区间为1.6～1.9，且孔径比越接近1.9，柔性加固效果越好。

4 注浆材料特性试验与选择

柔性加固技术在现场应用时采用的注浆材料是马丽散，该材料的使用效果良好，但是马丽散的使用成本高达2.5万～3.2万元/t，这在很大程度上提高了生产成本，所以如果能找到一种廉价注浆材料替代马丽散，那就可以降低技术成本，使该技术更广泛的工业化运用。经过大量的调研和分析对比，初步找到3种可以代替马丽散的浆液:超细单液水泥浆液、超细水泥-水玻璃浆液、以及超细水泥-矿粉-水玻璃浆液。最后通过实验进行注浆材料选择，实验方法参照3.2节所述的“柔性棕绳、浆液、煤体”拉拔试验。

4.1 超细单液水泥浆特性

水泥浆液具有取材广泛，价格低廉，凝固后强度大的优势，水泥浆适用到柔性加固技术中最大的问题是凝固时间，因此必须加入速凝剂来加快水泥浆液的凝固以满足工程需求。该实验是水灰比为1∶1的条件下，不同速凝剂添加量时所对应的极限载荷和凝固时间(图10)。由图10可知，极限载荷稳定在0.5 kN;随着速凝剂含量的增加，水泥浆液的凝固时间逐渐缩短，当速凝剂含量为5%时，凝固时间为400 s，这足以满足工程需要，因此为降低成本，如果使用超细单液水泥浆作为注浆材料，速凝剂的添加量控制在5%即可。

图10 不同速凝剂添加量凝固特性Fig.10 Solidification characteristics of different accelerator contents

4.2 超细水泥-水玻璃浆液

在水泥浆液中加入水玻璃，不仅可以加快水泥的凝固，而且水泥和水玻璃发生化学反应后生成水化硅酸钙，该结实体不仅强度大，而且具有一定的弹性特性，这种性质的结实体可以增强柔性棕绳-浆液-煤体的协调变形特性。

控制水灰比为1∶1，改变水玻璃的添加量，图11为实验结果。随着水玻璃添加量的增加，极限载荷不断减小;当水玻璃的含量为10%时，最大载荷是4.2 kN，约为相同水灰比下单液水泥浆的8倍，当水玻璃含量由10%增加到30%时，载荷下降最快;当含量由30%增加到70%时，极限 荷趋于稳定，在1.8 kN附近波动，但是仍大于单液水泥浆的0.5 kN;当含量超过70%时，极限载荷明显降低(图11)。当水玻璃含量不超过70%时，凝固时间小于300 s，平均凝固时间94 s，较短的凝固时间说明该材料必须采用双液注浆的方式(图11)。综上所述，适量的水玻璃不仅可以缩短水泥浆液的凝固时间，更可以提高凝固后结实体的强度，因此选择双液注浆的方式，选用超细水泥-水玻璃浆液有利于发挥柔性加固技术的优势。

图11 不同水玻璃含量下凝固特性Fig.11 Solidification characteristics of different silicate contents

4.3 超细水泥-矿粉-水玻璃浆

绿色注浆材料包括粉煤灰，矿粉等，如果在注浆材料中加入该材料，不仅可以实现对废弃物的利用，还可以节约成本。因此设想将超细水泥-矿粉-水玻璃混合组成复合注浆材料。

实验方案:以矿粉为例，将超细水泥和矿粉组成混合物，改变矿粉的添加比例，混合后的水灰比保持为1∶1，然后控制水玻璃的添加量为50%，实验结果如图12所示。

图12 不同矿粉含量下凝固特性Fig.12 Solidification characteristics of different ground slag contents

当矿粉的添加量不超过30%时，极限载荷稳定在1.6 kN，对载荷影响较小，当矿粉的添加量超过30%时，极限载荷急剧减小(图12);矿粉的添加量小于70%时，凝固时间小于300 s，平均凝固时间155 s，大于相同比例条件下超细水泥-水玻璃的凝固时间，由此可以说明矿粉的添加可以起到缓凝剂的作用。

综合上述实验结果，超细水泥浆凝固后极限载荷约为0.5 kN;超细水泥-水玻璃浆液，当水玻璃的添加量小于10%时，水玻璃含量对极限载荷影响较小，可以忽略;超细水泥-矿粉-水玻璃浆液，当矿粉的添加量不超过30%时，矿粉的添加对极限载荷的影响较小，可以忽略。因此认为，采用超细水泥-矿粉-水玻璃混合材料作为柔性加固技术的注浆材料，矿粉添加量控制为30%，水玻璃的添加量为10%，此时形成的结实体不仅具有一定的弹性特征，便于实现煤体-结实体-柔性材料的协调变形性，而且混合材料的成本约为5 000 t，可以大幅度降低技术成本。

5 小孔径注浆方案优化

目前在煤壁柔性加固技术应用中，所用的注浆管为圆形注浆管配合柔性棕绳使用(图13(a))，但是应用中发现，在煤壁上钻孔的工艺较为复杂，特别是孔径超过32 mm时，通常需要大型钻机完成钻孔工作，这增加了柔性加固技术的施工难度，进一步的限制了柔性加固技术的使用。因此为了降低施工难度，开发了半环形注浆管，配合柔性棕绳使用，可以大幅度降低所需钻孔直径(图13(b),(c))。

6 工程应用

金晖瑞隆煤矿煤层起伏较大，煤的硬度较低，且采用综放开采，矿压显现比较明显，在仰斜开采阶段，煤壁破坏问题成为影响生产的主要因素(图14(a))。在煤壁破坏比较严重的区域，采用柔性加固技术加固煤壁。由于煤壁柔性加固作用机理与锚杆/索加固煤壁作用机理相似，因此参照矿井常用的锚杆/索规格，确定选用20 mm直径棕绳;根据上文研究可知当孔径比为1.9时，柔性加固效果最佳，从而确定了钻孔孔径应为38 mm;常规工作面，煤壁前方破裂区域宽度为3～5 m，由此确定锚固深度为5 m;根据该矿井以往的煤壁注浆加固工程经验，确定了钻孔角度为5°，孔间隔为1.5 m，注浆压力为1～2 MPa。从而得到了柔性加固参数(表1)。施工工艺:① 在实施方案前，确保施工地段无安全隐患;② 在煤壁上，按照一定的孔径、孔深和孔角施工方案;③ 将柔性棕绳与注浆管捆绑并送至孔底;④ 最后，封孔，注浆即可。通过柔性加固，煤体强度和整体性得到有效提高，结合工作面顶板管理，控制住了煤壁破坏，保证了工作面安全、高效回采(图14(b))。

图13 小孔径注浆管Fig.13 Small aperture grouting pipe

图14 柔性加固前后煤壁变化Fig.14 Characteristics of coal wall changes before and after flexible reinforcement

孔径/mm孔深/m孔角/(°)棕绳直径/mm孔径比注浆压力/MPa孔密度浆液3865201.91～21/1.5马丽散

7 结 论

(1)基于传统的煤壁破坏治理方法，提出了煤壁全长锚固柔性加固技术;设计了煤壁加固三维相似模拟对比实验，通过煤壁水平变形特征和破坏形态特征，发现煤壁柔性加固相对于注浆加固，破坏深度减小了65%;相对于煤壁不加固，破坏深度减小了75%;揭示了柔性棕绳可提高煤体整体性的作用机制。

(2)通过“柔性棕绳、浆液、煤体”拉拔实验，发现了当孔径比为1.6～1.9时，煤壁柔性加固可取得较好效果，确定了柔性加固参数;开发了“超细水泥-矿粉-水玻璃”混合注浆材料(矿粉添加量≤30%，水玻璃添加量≤10%)，降低了柔性加固技术成本，优化了柔性加固工艺。

(3)开发了半环形注浆管，配合柔性棕绳使用，大幅降低了施工难度;通过在瑞隆煤矿仰斜开采工作面运用柔性加固技术，煤壁的整体性得到了有效提高，煤壁破坏问题得到缓解，实现了安全高效回采。