高效高强加固料在南阳坡煤矿底板治理中的应用

郭禹江，张柏林

(1.晋能控股煤业集团 铁峰煤业公司， 山西 朔州 037200；2.太原理工大学 安全与应急管理工程学院， 山西 太原 030002)

1 工程概况

南阳坡矿隶属于朔州煤电公司铁峰煤业，位于柴家村北西部；地势东高西低，地形极为平坦，黄土广布，地面大部为杨树林，中部为南湾苗圃，东部有一条村村通水泥路，地面无任何建筑物。盖山厚度平均210 m. 8704工作面位于307盘区中东部，为8#307盘区首采面，四周均为实煤区，北部接近110 m大断层，西部为307盘区巷,上覆为3#层、5#层采空区。8704工作面大致为一单斜构造，北高，南低，煤层走向北西，倾向南东，倾角5°～8°. 8#煤层以黑色，半暗煤为主，玻璃光泽，夹镜煤条带及黄铁矿，断口平坦状，参差状，裂隙发育，煤层夹有2～3层夹矸，均为泥岩。

8704工作面过陷落柱时，陷落柱煤壁上部极为破碎，尤其在端头很难形成承载结构，严重影响顶板的维护。在此背景下，采用工作面正常生产应用的棚架支护和锚杆锚索支护措施，由于岩体本身破碎，难以充分发挥锚杆锚索本身的力学性能，支护材料的大量使用，达不到预期的支护效果，造成资源浪费，同时工作面围岩强度低，安全系数低，存在极大的安全隐患。

液压支架作为采掘工作面的主要支护设备，存在本身体积大、吨位大等特点，液压支架能否正常运行关系到采掘工作的进展。采掘工作的深入，改变了岩层内部结构，使得其自身的平衡被打破，会出现岩石破碎，岩层断裂等现象。液压支架支护8704工作面侧视图见图1.

1—支护底脚；2—液压支架；3—液压支架顶；4—直接顶；5—煤体；6—底板；7—采煤煤壁；8—刮板输送机；9—松散岩石图1 8704工作面侧视图

1) 直接顶岩层情况。由于采空区的影响，采空区上方直接顶受重力影响垂直变形，产生了很多松软、破损岩块，使得液压支架顶支称难度加大。

2) 采煤煤壁现场情况。液压支架前方的采煤煤壁出现了暗黄色陷落柱，该陷落柱破碎、流动性强、渗透性差，进一步增加采集工作面前方岩层的不确定性。

3) 底板岩层情况。支护底脚前方的底板岩石破碎，抗压强度较低。经测试，底板承受压强不足1.5 MPa，不能支撑液压支架底脚向前移动。

针对上述情况，常规做法为：采前应采取密集钻孔高压注浆加固，煤层顶板及底板重点加固；回采过程中应控制降尘和冷却水的用量，保证工作面底板的干燥，同时在顶板压力完全显现前进行快速推进作业；局部液压支架顶板破碎时，应考虑带压移架[1-3].但传统方法不能应对该矿实际情况，主要因为陷落柱局部有淋水，导致注浆加固困难、快速推进作业受阻、顶底板黏性增大，无法带压移架。

2 高效高强度地面加固料

为解决南阳坡矿8704工作面底板岩层松散、无支撑强度的问题，必须选用高效高强度地面加固料。同时为了保证施工进度，尽快使液压支架成功通过该处松散岩石区域，须选用凝结时间短、抗压强度上升迅速的加固材料。通过测试“石家庄虹基兆新机械设备科技有限公司”的高效高强度地面加固料，得出抗压强度测试数据，具体参数见表1. 经测试，加固料24 h后可以达到20 MPa左右，3 d可以达到30 MPa左右，最终强度可以达到40 MPa左右。

表1 抗压强度测试数据表

根据表1数据，拟合加固料与普通水泥的时间-抗压强度曲线，见图2.

图2 时间-抗压强度曲线图

选用3次函数对图2中两条曲线进行分析，得出：

yj=-0.001t4+0.068 3t3-1.638 9t2+

15.467t-8.150 7,R2=0.923 4

(1)

yp=0.002 2t3-0.151 7t2+3.975 9t-

1.437 7,R2=0.988 8

(2)

式中，yj为加固料的抗压强度，MPa；yp为普通水泥的抗压强度，MPa；t为时间，d.

从图2中可以看出，加固料与普通水泥材料最终的抗压强度基本相等，28 d的终凝强度均为40 MPa左右，加固料在OA段硬化速度快，随后硬化速度开始减慢，直至后期强度趋于平稳。地面加固料在OA段的这一硬化特性，可以用来快速加固8704工作面底板。实际使用中，加固块抗压强度达到30 MPa以上，即可进行支护底角前移工作，故选取P1=30 MPa，此时t1=3.7 d，t2=13.5 d. 说明选用高效高强度地面加固料可以节约9.8 d，有效缩短底板治理周期。

通过测量液压支架推进距离，得出“时间-推进距离”曲线，见图3. 结合现场施工情况，将该曲线分为3个阶段：S1，S2，S3. 其中，S1阶段为使用普通水泥施工；S2阶段为将普通水泥逐渐替代为加固料，并且对加固料的性能参数逐渐熟悉；S3阶段为完全熟练使用加固料进行施工。

图3 施工整体进度图

对S1阶段曲线进行拟合，得出推进距离yS1与时间t的关系：

yS1=0.103 8t+0.883 3,R2=0.995 4

(3)

对S3阶段曲线进行拟合，得出推进距离yS3与时间t的关系:

yS3=2t-37,R2=1

(4)

对yS1求一阶导数，得出在S1阶段的施工速度:

d(yS1)/dt=0.103 8

(5)

对yS3求一阶导数，得出在S3阶段的施工速度:

d(yS3)/dt=2

(6)

S3阶段的施工速度与S1阶段的施工速度的比值计为K，则有：

(7)

从式(7)可以看出，当熟练使用加固料进行施工时，速度是普通水泥施工速度的19.27倍。

3 高效高强度地面加固料的配置

高效高强度地面加固料的配置流程：搅拌采用高速搅拌机，转速不低于1 000 r/min. 准备一个50 L铁桶作为混合搅拌容器，在容器内放入10～15 kg水，加入2 kg 2号加固材料(液体)，使用气动搅拌机进行搅拌，搅拌均匀后加入1号加固材料(固体)40 kg，加入3号加固材料(固体)4～6 kg，使用气动搅拌机快速搅拌均匀，在转速1 000 r/min条件下，搅拌时长约为4 min，浆液配置完成。将配置好的浆液迅速倒入加固位置。

选择设备型号为“GQ-6510”的手提式气动搅拌机，技术参数：转速0～2 200 r/min，工作流体为压缩空气，使用压力为6(85 PSI)kg/cm2或8 (115 PSI) kg/cm2，环境温度为-10～+120 ℃，重量为2.6 kg. 设备动力取自煤矿井下压风系统。该搅拌机轻巧便于携带，操作方便，维护检修简单，可用于各种场所，省时高效。

4 底板治理施工

8704工作面底板治理施工流程见图4. 首先将支护底脚推进液压缸伸长，伸长距离为800 mm，同时刮板输送机前移，刮板输送机与液压支架底脚之间的底板露出，在露出的底板内挖加固槽，见图5，加固槽深度为0.5 m，挖好后将加固槽壁和槽底清理干净，将配置好的加固料迅速倒入加固槽内，等待加固料凝固成底板加固块，等待时间为84 h，此时加固块抗压强度为30 MPa以上，试探性前移支护底板，完全承压并且不下陷后，逐一全部前移，之后重复施工流程。

图4 施工流程图

1—加固槽；2—刮板输送机；3—推进液压缸；4—支护底脚图5 施工区域划分俯视图

由于地面加固料在3～10 min即可出现凝固现象，所以需要在施工底板附近快速搅拌均匀。回采工作面施工空间狭小，大型搅拌设备无法进入，小型搅拌设备无法一次性填充满所有施工区域，可以多台搅拌容器同时工作。

当加固块承受液压支架压力后，由于底板岩层松软，承压的加固块会有一定幅度下陷，见图6，第一排加固块因为承压下陷，以第二排未承压的加固块为参照进行测量，下陷距离为h，其平均高度为24 mm，当前使用的液压支架相关参数为台底座千斤顶行程260 mm，可以满足液压支架前移需要。底板加固后示意图见图7.

1—第一排加固块；2—第二排加固块图6 加固块承重后下陷图

1—底板加固块；2—推进液压缸图7 底板加固后示意图

由于底板岩石层松软的原因，当加固块承压后会有24 mm的下陷，今后还需改进工艺，使该数据进一步减小。

5 结 论

对于松散岩石结构的底板治理，采用凝固时间短、抗压强度提升快的高效高强度加固材料，可以满足现场施工需要，整体施工速度比使用普通水泥高19.27倍，且施工工艺简单，一个班组8名工人，8 h内可以完成20～30个加固块的施工，施工效率高。