工作面煤体超前注胶防片帮技术研究.pdf

分类号 U D C 硕士学位论文 学校代码 密级 工作面煤体超前注胶防片帮 技术研究 R e s e a r c ho nS p a l l i n gP r e v e n t i o nw i t h C o a lS e a mI n je c t i o ni nF r o n to f W o r k i n g F a c e 研究生 导师 学科专业 研究方向 庞立宁 毛德兵研究员 采矿工程 矿山压力与岩层控制 培养单位煤炭科学研究总院开采研究分院 煤炭科学研究总院 2 0 16 年5 月 万方数据 煤炭科学研究总院学位论文原创声明 一 本人郑重声明此处所提交的学位论文工作面煤体超前注胶防片帮技术研 究，是本人在导师指导下，在煤炭科学研究总院攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已发表或 ’撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名膨云字日期M 6 年I ，月， 日 煤炭科学研究总院学位论文使用授权书 工作面煤体超前注胶防片帮技术研究系本人在煤炭科学研究总院攻读学 位期间在导师指导下完成的学位论文。本论文的研究成果归煤炭科学研究总院所 有，本论文的研究内容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解煤炭科学研究 总院关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复 印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和编入中国知识资源总库。本人授权煤炭科学研究 总院，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 本学位论文属于 请在以下相应方框内打“√” ； 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密口 作者签名稼主，寺日期 。邝年岁’月，f 日 导师签名囝陆及隰加r ‘年r 月吵日 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 摘要 随着煤矿开采深度的加大以及大采高综采和大采高综放开采的大面积 应用，大采高工作面煤壁片帮问题越来越严重。为保证厚煤层工作面生产的 安全高效，防止煤壁片帮尤为必要。 本论文针对煤体加固防片帮中应用的水泥材料粒径大、难以注入细微裂 隙以及化学浆液成本高、易放热等缺点，提出了渗透性效果较好、成本低、 安全性高并具有一定粘结性能的新型注胶材料一胶体，并依次做了胶体的粘 度．浓度试验、胶体的粘结性试验、胶体的渗透扩散试验、胶体．煤体混合体 的直剪试验、现场注胶试验，具体的研究内容及成果如下 1 通过胶体材料的粘度试验，得出了这五种胶体材料各自的“粘度． 浓度规律”，发现不同的胶体材料与水配置成的胶体溶液的“粘度一浓度”规 律不同，即其粘度对浓度变化的敏感程度不同；同种材料在不同的浓度分段 内，其粘度对浓度变化的敏感程度也不同。 2 通过胶体材料对松散煤体的粘结性试验，得出了这五种胶体材料 各自对松散煤体强度的提高程度，其中冷水速溶胶粉对松散煤体的粘结性能 最佳；2 ％浓度的冷水速溶胶粉胶体溶液可使l ～2 m m 粒径的松散煤体的抗压 强度达到1 ．3 6 M P a 。 3 自制一套检验胶体溶液在松散煤体中渗透性能的受注模型进行胶 体材料的渗透扩散试验，通过该试验发现胶体溶液在松散煤体中的渗透性能 主要与其粘度大小有关，而与其其他性质关系不大；对于同一种材料，其浓 度越大即其粘度越大，则其渗透过煤粒介质的总的时间越长；对不同种材料， 当其浓度不同但粘度相近时，其渗透经过煤粒介质的时间几乎一样。 4 通过胶体材料与松散煤粒混合体的直接剪切试验，得出了五种胶 体材料各自对松散煤体剪切强度的提高情况，其中冷水速溶胶粉对松散煤体 的抗剪强度的提高效果最好；2 ％浓度的冷水速溶胶粉胶体溶液可使l ～2 m m 和3 ～4 m m 混合粒径的松散煤体的内聚力达到8 0 ．4 5 k P a 。 5 通过孟家窑现场试验，检验了冷水速溶胶粉胶体防止煤壁片帮的 效果，并形成了一套完整的工作面超前注胶工艺；初步形成了一套与注水泥 浆、化学浆不同的防止煤壁片帮的方法，由此得出防止煤壁片帮的亲水凝胶 注入技术是可行的。 关键词煤壁片帮；胶体；粘度试验；粘绔| 生试验；渗透扩散试验；直 剪试验 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 A b s t r a c t A l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo fm i n i n gd e p t ha n dw i d ea p p l i c a t i o no fl a r g em i n i n g h e i g h tf u l l y m e c h a n i z e df a c ea n df u l l ym e c h a n i z e dt o pc o a lc a v i n gm i n i n gw i t h h i g h e rm i m n gh e i g h t ，c o a lw a l ls p a l l i n gi sb e c o m i n gs e v e r e l y ．T og u a r a n t e et h es a f e t y a n dh i g he f f i c i e n c yo fw o r k i n gf a c e ，t h ec o a lw a l ls p a l l i n gp r e v e n t i o ni sp a r t i c u l a r l y n e c e s s a r y ． T h i sp a p e ra i m sa tt h ef e a t u r eo fl a r g eg r a n u l ew i md i f f i c u l tt oi n j e c ts u b t l ec r a c k s o fc e m e n ta n dh i g h c o s t 、e a s y - e x o t h e r m i co fc h e m i c a lg r o u t ，p u _ t t m gf o r w a r dn e w t y p e m a t e r i a lw h i c hc a l l e dc o l l o i dw i t ht h ef e a t u r eo fe a s y p e r m e a b i l i t y 、l o w - c o s t 、 h i g h - s a f e t y 、c o h e s i v e n e s s t e s t i n gt h ev i s c o s i t y 、c o h e s i v e n e s s 、p e r m e a b i l i t y 、s h e a rf o r c e o ft h ec o l l o i da n dh a v i n gae x p e r i m e n ti nt h ec o l l i e r y , t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ea s f o l l o w s 1 B yv i s c o s i t yt e s t ，c o n c l u d i n g f i v e c o l l o i d ’S ‘‘v i s c o s i t y - d e n s i t y ’’r e g u l a r p a t t e m ，d i f f e r e n tc o l l o i d ’S “v i s c o s i t y d e n s i t y ”r e g u l a rp a R e mi sd i f f e r e n t ，i t sv i s c o s i t y i sn o t p o s i t i v e c o r r e l a t i o nw i t hc o n c e n t r a t i o n ；t h es a m em a t e r i a li nd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n ss e g m e n t ，t h er e l a t i o nb e t w e e nv i s c o s i t ya n dc o n c e n t r a t i o ni sd i f f e r e n t ． 2 B yc o h e s i v e n e s st e s t ，c o n c l u d i n gi m p r o v e ds t r e n g t ho ff r i a b l ec o a lb yf i v e k i n d so fc o l l o i dr e s p e c t i v e l y , S R J F i st h eb e s tc o h e s i v e n e s so n e ，2 ％d e n s i t yS R J FC a n e n h a n c ec o m p r e s s i v es t r e n g t h1 ．36 M P ao fl o o s ec o a l d i a m e t e r1 - 2 m m ． 3 M a n u f a c t u r i n gai n j e c t i o nm o d e lt ot e s tt h ep e r m e a b i l i t yo fc o l l o i di nt h e f r i a b l ec o a l ，b yp e r m e a b i l i t yt e s t ，f i n d i n gt h a tp e r m e a b i l i t yo fc o l l o i di so n l yr e l a t e dt o v i s c o s i t y , t h ep e n e t r a t i o nt i m ei sp o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t hd e n s i t ys c i l i c e tv i s c o s i t y ；f o r t h ed i f f e r e n tm a t e r i a l sw h i l ei t sv i s c o s i t yi st h es a m e ，t h ep e n e t r a t i o nt i m ei st h es a m e ． 4 B yd i r e c t - s h e a rt e s t ，c o n c l u d i n gi m p r o v e ds h e a rs t r e n g t ho ff r i a b l ec o a lb yf i v e k i n d so fc o l l o i dr e s p e c t i v e l y , S R J Fi st h eb e s to n e ；2 ％d e n s i t yS R J Fc a ne n h a n c e c o h e s i o n8 0 ．4 5 k P ao fl o o s ec o a l m i x i n gd i a m e t e r1 - 2 m ma n d3 - 4 r a m ． 5 B ye x p e r i m e n ti nt h ec o l l i e r yM e n gJ i a y a o ，e x a m i n i n gt h e ，c o a lw a l ls p a l l i n g p r e v e n t i n ge f f e c to fD ，f o r m i n gac o m p l e t ec r a f t st h a tc o l l o i di n j e c t i o ni nf r o n to ft h e w o r k i n gf a c e ac o a lw a l ls p a l l i n gp r e v e n tm e t h o dd i f f e r e n tt oc e m e n ta n dc h e m i c a l g r o u t ，c o n c l u d i n gt h a tc o l l o i di n j e c t i o nt e c h n o l o g yt op r e v e n tc o a lw a l ls p a l l i n gi s f e a s i b l e ． K e y w o r d s C o a lw a l l s p a l l i n g ； C o l l o i d ；V i s c o s i t yt e s t ；C o h e s i V e n e s s t e s t ；P e r m e a b i l i t yt e s t ；D i r e c t s h e a rt e s t ． I I 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 目录 11 l { ；论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景及问题提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 论文研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．2 问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 煤壁片帮规律及防治研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 煤壁片帮规律的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 煤壁片帮防治技术现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 注浆技术的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3 ．1 注浆材料的研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．3 ．2 注浆方法的现状及进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 1 ．3 ．3 注浆工艺的现状及进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 1 ．4 论文主要研究内容及研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 1 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 胶体材料的粘度一浓度规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．1 粘度的概念及测试意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 2 ．1 ．1 粘度的概念与影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．1 ．2 粘度的分类与单位⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．1 ．3 粘度的测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．2 胶体材料的粘度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．2 ．1 ‘粘度的测试方法确定及仪器选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．2 ．2 粘度试验中的注意事项及原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 2 ．2 ．3 胶体溶液的粘度测定实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 粘度测试试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 胶体材料对煤体粘结性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1 胶体材料对煤体粘结性试验意义及介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．1 ．1 胶体材料对煤体粘结性试验意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．1 ．2 胶体材料对煤体粘结性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 胶体材料对煤体粘结性试验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 ．2 ．1 胶体溶液的配置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 ．2 煤粒试样的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 ．3 实验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 胶体材料对煤体粘结性试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 3 ．3 ．1 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 ．2 实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 胶体溶液在煤体中渗透规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．1 胶体溶液在煤体中的渗透扩散试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．1 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．1 ．2 实验所需材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 胶体溶液在煤体中试验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．2 ．1 胶体溶液的配置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 ．2 煤粒试样的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 ．3 实验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3 胶体溶液在煤体中的渗透扩散试验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．3 ．1 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 ．2 实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．4 冷水速溶胶粉在煤体中的渗透扩散试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 41 胶体溶液的配置⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．4 ．2 煤粒试样的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．4 ．3 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．4 ．4 实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 胶体对煤样抗剪强度影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．1 直接剪切试验的原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．2 煤样抗剪强度的胶敏性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．2 ．1 试验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 ．2 试验仪器及流程介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．2 ．3 试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 5 ．2 ．4 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 煤样抗剪强度与含胶量关系研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．3 ．1 试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 ．2 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 6 现场试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．1 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 6 ．2 煤层注胶概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 6 ．2 ．1 煤层注胶特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．2 ．2 煤层注胶适用条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．3 煤壁注胶工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 6 ．3 ．1 工艺参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．3 ．2 注胶系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 6 ．3 ．3 注胶工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．4 现场注胶⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 6 ．5 现场注胶效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 6 ．5 ．1 胶体溶液渗透半径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．5 ．2 注胶前后煤壁片帮情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．5 ．3 注胶前后工作面煤体物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 6 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 7 结论与不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 5 7 ．2 不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 1 1 1 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 研究背景及问题提出 1 ．1 ．1 论文研究背景 煤炭是我国经济高速发展依赖的资源，其消费比例占总能源的4 0 ％以上。中 国煤炭工业协会初步研究预测，全国煤炭消费量到2 0 2 0 年将达到4 8 亿吨左右【1 1 。 我国煤炭资源储量十分丰富，有资料表明，中国煤炭探明可采储量应在2 0 0 0 亿 吨以上。在我国总的煤炭储量中，厚煤层储量可以达到4 4 ％，在我国原煤产量中， 厚煤层的产量比重可以占到4 5 ％左右【2 】。开采厚煤层的采煤方法有很多，相比于 分层开采，大采高一次采全厚具有很多优点，比如生产能力大、设备搬家倒面 次数少、巷道布置简单、掘进量与维护量比较小等，基于这些优点，开采缓倾斜 厚煤层时大采高综采己成为首选方法之一【3 ] 。 采高较大的综采工作面矿压显现相对剧烈，易发生煤壁片帮，如赵固一矿【4 】， 某些矿井煤质较软，也容易发生煤壁片帮，如白坪煤矿[ 5 】，煤壁片帮后容易导致 端面顶板垮落，从而给煤矿安全生产带来隐患并影响工作面正常推进，这严重制 约了矿井的安全、高产、高效生产。 针对工作面煤壁片帮严重制约矿井安全、高产、高效这一问题，一些相关矿 井提出了不同应对煤壁片帮的技术措施。河滩沟煤矿采用伪俯斜开采的采煤法以 使得煤壁及端面顶煤的重力方向与临空面的角度关系发生改变，进而减小煤体的 主动下滑力来防止煤壁片帮；张集煤矿采用注浆方法加固工作面煤壁煤体的整体 强度、保证工作面支架初撑力带压移架来防止煤壁片帮【6 】；芦岭煤矿通过煤壁合 理注水提高煤体的黏聚力与抗剪强度来防止煤壁片帮[ 7 】；寺河煤矿为防止煤壁片 帮在末采阶段采用水泥注浆【8 】；担水沟煤矿在过大面积破碎带时候采用注马丽散 加固剂来防止煤壁片帮【9 】；一些煤矿附加采用加强设备检测维修、选择合理的采 煤机截齿截深、对支架增加防倾倒防滑措施、工作面布置时尽量避开上覆工作面 遗留的煤柱造成的压力升高区等措施来达到减少煤壁片帮的目的[ 1 0 】。 1 ．1 ．2 问题的提出 在煤壁片帮防治问题上，主要通过两个大的途径来减少煤壁片帮【1 1 】第一， 改善工作面煤壁的受力状态，尽量避免煤体的单向受力，防止在工作面煤壁出现 应力集中，实现这一途径，主要通过加快工作面的推进速度、及时打护帮板、带 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 压移架、增大支架的初撑力等措施来实现，由于支架初撑力不能无限增大，护帮 板提供的力也有限，因此第一种防治煤壁片帮的途径存在欠缺性；第二，改变煤 体的物理力学性质，增大煤体的黏聚力与强度，保证煤体的完整性，实现这一途 径，主要通过水泥注浆、化学注浆等方法实现。 注浆是使得浆液材料在泵压作用下沿着注浆管进入到岩体、地层和结构物等 各种介质中，在介质裂隙中的浆液与介质发生化学反应，将注浆之间比较松散的 介质固结成一个相对完整的整体，形成具有高强度、好防水性、稳定化学性能的 “结石体“ ，达到加固、补强、止水等目的【1 2 1 。E l 前常用的注浆材料分为两大类 【1 3 】以纯水泥浆液类、水泥水玻璃浆液类、水泥粘土类为主的水泥注浆材料和以 丙烯酸盐类、水玻璃类、甲基丙烯酸酯类等为主的化学注浆材料。 水泥浆液具有一些显著的优点，比如无毒性、对环境污染比较小、成本比 较低、材料来源比较广、凝结成的结石体的强度比较高、配置起来比较方便等， 但也存在一定的缺点，水泥颗粒的粒径比较大，在比较细微的裂隙中扩散渗透比 较困难，这些缺陷限制了其在加固堵漏工程中的应用[ 1 4 1 。化学浆液一般对人体和 环境有害有污染，而且制作起来工艺比较复杂进而导致其成本比较高，但是它具 有浆液粘度低、流动性强、可注性好等优点【1 2 1 。 现在煤矿使用较多的、防止煤壁片帮效果较好的化学材料是马丽散【l 川，但价 格昂贵，达2 ～3 万元／吨，因此很难在煤矿企业普及开来，长平煤矿仅一个工作 面注浆的成本达到2 亿元。本论文针对这一问题，调研市场上已经存在的化学材 料，寻找一种在煤体内渗透性较好、粘结性较强、价格较便宜、能够在煤矿普及 应用的化学材料，这对于防止煤壁片帮、提高煤矿产量、增大煤矿企业经济效益 具有重大意义。 1 ．2 煤壁片帮规律及防治研究现状 1 ．2 ．1 煤壁片帮规律的研究现状， 在矿山压力的作用下，工作面煤体破碎之后脱离工作面煤壁滑落下来的这种 矿压显现现象被称为煤壁片帮1 6 】。对于一些采高比较大的工作面，由于其煤壁 比较高因此稳定性比较差，以及松软煤层煤体强度较小，煤体大多数已经处于破 碎状态，加上其受力状态为双向受力，因此极容易发生煤壁片帮【3 1 。 钱鸣高院士在进行工作面覆岩移动规律研究时指出，在工作面超前支承压力 2 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 的作用下，工作面前方煤体发生不同程度的破坏，从而形成了工作面前方的三区 破碎区、塑性区、弹性斟17 1 。工作面前方煤体变形区域如图2 。1 所示。 上 上lI I 工 E 耸 I 一破碎区；I I 一塑I 生区； I I 卜弹性区； x 1 一破碎区宽度； x 2 一塑性区宽度；x 0 一非弹性区宽度 图2 - 1 工作面前方变形分区图 宋振骐院士等人采用三维有限元离散方法研究了不同开采深度、不同开采高 度、不同煤体硬度条件下煤壁片帮规律，得到了不同条件下规律拟合公式‘1 8 】。 山东科技大学夏均民教授认为工作面煤壁片帮除了受到煤体自身的性质如 黏聚力、内摩擦角、裂隙发育情况、应力情况影响之外还受到节理和主平面之间 的夹角的影响，；同时根据摩尔应力圆导出下面的表达式 2 届 y ， s i n 一[ ％ c c t a n y s i n V ／l - , , , ] 1 1 2 殷 万 2 y ，一2 P l 1 2 式中O “ m 旦姜旦一平均应力； 丁。 华一最大剪应力。 对于单节理煤体，煤体沿节理面发生滑动的条件是B1 B 巳国 不同的浆液材料都有其不同的特点[ 5 1 , 6 3 1 ，下面对各种浆液材料的特点分别说 明。 1 普通水泥浆液 普通水泥浆液是注浆历史上出现较早的较为经典的注浆材料，因此其在注浆 工程中最经长使用，决定水泥浆液性能的重要参数是水泥细度。其主要特点如下 1 成本比较低，材料来源广，无毒无害，施工工艺简单； 2 抗压强度大，可达到2 2 ．O M P a ，结实率比较高，可达到9 9 ％； 3 浆液粘度与水灰比有关，水灰比增加时胶凝时间也相应延长，从几小 时到几十个小时； 4 当用于地下水堵漏时，在水流速较大情况下，水泥浆液很难保持稳定， 极容易被水进行冲刷和稀释，此外容易沉淀析水，稳定性差。 2 水泥粘土类浆液 在水泥中加入一定比例的粘土可以配置成水泥粘土类浆液，一般情况下，粘 土掺量为5 ％～1 5 ％。由于粘土具有注浆材料应有的一些特点比如高的分散性能 1 n 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 和好的亲水性能，因此水泥粘土类敬业沉淀析水性较小，大大提高了水泥粘土浆 液的稳定性能。浆液凝胶体主要性能有 1 凝结时间较长，结实率可以达到1 0 0 ％； 2 粘度随水灰比以及粘土用量而改变； 3 抗压强度可达1 3 ．6 M P a 。 3 粘土类浆液 粘土来源比较广，成本低。粘土类浆液主要用在病险土工堤坝的防渗注浆工 程中。在粘土浆液中加入一定量的硅酸钠和熟石灰可以改善粘土浆液的性能。在 粘土硅酸钠浆液中，粘土占4 0 ％“ - 6 0 ％，熟石灰占粘土的1 ％～3 ％，硅酸钠占粘 土的1 0 ％ - 1 5 ％，其余的为水。该浆液凝结时间一般在几十秒到几十分钟之间， 粘度2 0 , ～3 0 p a ．S ，渗透系数1 0 巧～1 0 ～c m ／s 。 4 水泥硅酸钠类浆液 c s 浆液 水泥和硅酸钠组成了水泥硅酸钠类浆液的主要剂料，根据一定百分比混合而 成，为了达到速凝或者缓凝的目的，经常在其中根据人为需要加入缓凝剂或者速 凝剂。该浆液比单纯的水泥浆液有很多明显的优点，比如凝结时间段且可控、结 实率高等优点，提高了注浆效果，扩大了水泥注浆的适用范围。水泥硅酸钠类浆 液具有如下特点 1 材料来源丰富，价格低廉，结石体容易粉化，化学结构不稳定； 2 浆液胶凝时间在几秒～几十分钟范围内并且可调； 3 固结之后的结石体具有较高的抗压强度，可以达到1 0 M P a “ - - 2 0 M P a ， 结石率可达1 0 0 ％； 4 硅酸钠掺量越少，胶凝时间越短； 5 结石体的渗透系数可达到1 0 。3 级，可用于裂隙为0 ．2 r a m 以上的岩体或 者粒径为l m m 以上的砂层； 6 不污染地下水，对环境也无害，但是当有氢氧化钠析出时，会对注浆 管路等设备产生腐蚀。 5 微细水泥浆液 M C 浆液 微细水泥浆液平均粒径41 1m ，最大粒径可达1 0u1 1 1 。该浆液的主要性能特 点如下 1 可注性强，能够注入到0 ．1 ～0 ．2 m m 的细砂中； 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 2 凝结时间在2 0 秒～几分钟范围可调； 3 稳定性好，对于1 1 的浆液，析水历时2 h 以上，析水率 5 ％； 4 固砂体的渗透系数可以达到1 0 ’6 c a r d s 级； 5 固结之后的结石体具有较高的抗压强度，可达2 5 M P a ，固砂强度可达 6 2 M P a ； 6 浆液无毒，无腐蚀，结石体具有较高的耐久性，对于裂隙的湿度不敏 感。 6 丙烯酰胺类浆液 丙烯酰胺类浆液又称为丙凝浆液，由主剂、促凝剂、引发剂和交联剂等材料 组成。丙氨酰胺为主剂，三乙醇胺[ N c 2 I - 1 4 0 H 3 ] 和1 3 ．二甲基丙氰 [ C H s 2 N C H 2 N C H 2 C N ] 为1 促凝剂，引发剂为过硫酸钠[ N I - 1 4 2 8 2 0 8 ] ，常用的交联剂 为N ．N ．亚甲基双丙烯酰胺 简称M ，缓凝剂一般用铁氰化钾 K F 。丙烯酰 胺类浆液的主要特点有 1 浆液的材料较少，价格较贵； 2 浆液的粘度较小，一般为1 ．2 1 0 一P a ．S ； 3 凝胶体的渗透系数q l 曼d , ，一般为1 0 圳～1 0 。9 c m ／s ； 4 可注性好，能够渗入粒径 O ．4 M P a ； 1 2 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 4 胶凝时间在几十秒～几十分钟之间可调； 5 具有较好的防渗性能，用铬木质素浆液处理后渗透系数可达1 0 。8 ～ 1 0 7 c n l ／s 。 8 脲醛树脂浆液 以脲醛树脂或者脲．甲醛为主剂，一定量的酸性固化剂作为附剂，相互混合 可形成脲醛树脂浆液。主要特点如下 1 胶凝时间在十几秒～几十分钟内可调； 2 固砂体的抗渗系数在1 0 巧～1 0 4 c m ／s 之间； 3 胶结体抗压强度在4 M P a - - 一8 M P a 之间； 4 粘度低，可实现单液或者多液注浆。 9 环氧树脂类浆液 环氧树脂相比于水泥浆混凝土具有更好的内聚力和粘结力，能在恢复结构的 整体性方面发挥很大作用，具有粘结力强、收缩小、强度高、化学稳定好等优点， 同时也存在可注性小、浆液粘度大、与潮湿裂缝粘结力差等缺点。 1 0 聚氨酯类浆液 聚氨酯类浆液分为非水溶性聚氨酯浆液和水溶性聚氨酯浆液两类。聚氨酯浆 液和凝胶体主要性能有 1 浆液具有较低的粘度没有颗粒状物质，在被注介质中具有较好的扩散 和渗透性能，另外还可以和水泥浆液结合起来使用； 2 凝结之后的固结体强度比较高，可以达到3 M P a ，可以发挥补强的作 用； 3 抗渗性能好，渗透系数可达1 0 。8 ～1 0 ～c m ／s ； 4 对环境无污染。 1 ．3 ．2 注浆方法的现状及进展 日本开发了控制裂隙方向的注浆方法，具体是在地基中与河流方向垂直的界 面上认为的制造裂缝，然后注入浆液使得其渗入到天然和人为造成的裂隙孔隙 中，最终形成蜘蛛网状浆液脉络。 瑞士大坝专家L o m b a r d i 提出G I N 注浆法[ 6 4 - 6 5 】，该方法按照注浆强度值进行 注浆过程中的控制，并使用单一水灰比的浆液。注浆孔段的最终注浆压力P M P a 和单位注浆量V L ／m 的乘积即为注浆强度值G I N R V M P a ．L ／m 。对于该注 万方数据 煤炭科学研究总院硕士学位论文 浆方法的工艺特点要求必须有注浆全程的实时监控。 在工程中注浆的进行具有一定的不可见性，其质量的好坏很难及时的被发 现，为此在一些注浆工艺比较发达的国家逐渐开始采用自动化设备来进行监测。 比如美国计算机辅助注浆评价系统可将注浆参数以实时图形的状态显示，能够做 到对整个注浆过程的监视，根据实时监测画面以及结果对注浆材料的实用性和被 注介质的吸浆量进行评价【6 6 】。目前，在国内主要采用的仪器和系统是G J Y 型注 浆自动记录仪和L J ．2 型注浆压水测控系统‘6 7 1 。日本等一些国家在进行核废料填 埋时对细微裂隙进行封堵，在封堵过程中采用高频脉冲压力驱动浆液的振动注浆 法【6 8 1 。 在不同岩性和地质条件下应该根据其实际条件采用不同的注浆方法，对于一 些比较松散的岩体土体，由于其渗透性能比较好，因此可以采用渗透法进行注浆； 压密法注浆适用于能充分排水的粘土和中砂细砂土；在大型溶洞或者岩溶管道 中，实施堵漏工作时，一般选用充填注浆；劈裂注浆主要用来形成坝体防渗墙。 1 ．3 ．3 注浆工艺的现状及进展 注浆次序分为上行式、下行式、混合式和循环式四种[ 7 0 。7 。注浆控制分为过 程控制和标准控制。依据被注介质的实际地质条件和已有的注浆理论，对浆液性 质