三軟煤層煤壁片幫控制技術分析

趙 亮

(山西新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045400)

三軟煤層通常指目標礦井所屬區域煤層頂底板及煤巖體本身較為松軟，在其開采過程中，由于巷道圍巖壓力較大，因此很容易出現不同程度的變形[1]。在三軟煤層工作面進行巷道支護時，應當綜合考慮巷道圍巖自身承載力，確保支護的整體剛度以避免出現片幫、頂板冒落及底鼓等問題。基于此，煤礦相關研究人員從多個方面對煤壁片幫原因進行了研究，包含礦山壓力變化規律、煤巖體自身物理化學性質以及支護模式等。然而，由于中國大部分煤炭位于較為復雜的地質環境條件下，不同礦井的地質特性存在一定的差異，因此需要根據目標礦井所處區域煤巖體特性采取針對性防片幫措施。

1 工程概況

目標礦井設計生產能力為120萬t/a，目前正在開采的15031工作面位于井田的中部區域，其南側為采空區，北側為與其并行開采的15032工作面，東側為礦井運輸大巷及回風巷。目前，目標礦井的主采煤層為9號煤層，整個煤層平均厚度為3.5 m，傾角平均為6°，屬于緩傾斜煤層，煤層的普氏系數為0.2～0.7，煤層的整體結構較為簡單。其中，目標煤層上半部的巖石由于長期受到擠壓等外界力的影響，出現了不同程度的破碎，整體結構較不穩定煤層結構簡單，不存在大范圍斷層及褶曲結構。頂板巖性以泥巖及砂質泥巖為主，整體巖石自身粘結力較弱，抗壓強度為20 MPa，抗拉強度為0.71 MPa，屬于典型三軟煤層。

2 片幫主要原因分析

目標礦井現階段的支架圍巖體系中支架以及煤壁是承受整體礦山壓力的主體，其穩定性對于整個礦井巷道的穩定性具有極其重要的意義[2]。然而，在實際生產過程中，煤壁穩定性較差經常是導致整個體系失穩的主要原因。從力學角度分析，煤壁片幫是由于煤巖體所承受壓力超過其自身承載力而導致。目標礦井15031工作面出現片幫的原因主要為，煤巖體承受的壓力值超過其自身承載極限，從而產生變形的巖體碎塊，同時，外界支撐設備不能在較短時間內完成支護而導致片幫。基于此，本文從礦山壓力、煤巖體自身承載力以及支護效果三個方面對片幫的主要原因進行綜合分析。

1) 礦山壓力影響。實際生產過程中，目標礦井工作面煤體所承受的壓力值主要來源于垂直地應力、老頂破斷后傳導的壓力以及直接頂自重三個方面[3]。為了進一步分析15031工作面的超前支承壓力對于整體煤壁穩定性的影響，超前支撐壓力的分布情況見圖1。

圖1 15031工作面超前支承壓力分布情況

由圖1可知，隨著工作面推進距離的增加，對應的超前支承壓力值呈現明顯增大趨勢，對應的最大值可達41.93 MPa，集中系數可以達到2.7。當工作面推進30 m時，距離工作面30 m范圍內的超前支承壓力發生較為明顯的變化，特別是距離工作面15 m時的支承壓力值可達到最高。由此可見，巷道前段承受頂板周期壓力、采動影響較為明顯。同時，當工作面向前推進至90 m時，距離工作面20 m范圍內超前支承壓力也呈現不斷上升的趨勢。隨著工作面不斷向前推進，對應的超前支承壓力最高值出現的位置也距離工作面越來越遠。由此可見，超前支承壓力主要受采動影響，同時，在距離工作面大于75 m的區域范圍內的阻力值基本不變，表明距離工作面75 m以外的煤巖體幾乎不受采動影響。

通過分析超前支撐壓力的最高值可以發現，與其所處工作面自身承載力相比，約為單體液壓支柱抗壓強度的十倍。同時，在工作面回采后，煤巖體原有的受力狀態均轉化為單向卸壓狀態，導致沒有外力干擾的破碎巖體由于其自重作用發生運動，最終將會導致片幫以至冒頂。

2) 煤巖體自身承載力。工作面煤壁片幫除會受采動影響外，還與巖體自身集中應力、抗壓強度及抗變形能力等有密切關系。15031工作面所采煤層屬于三軟煤層，煤體自身裂隙較多，嚴重影響了自身的穩定性。當煤巖體受外界壓力影響較大時會出現不同程度的變形，使煤壁體的裂隙相互貫通，最終引發片幫。同時，采用放頂煤開采工藝時，工作面的超前支承壓力逐漸增加，其破壞范圍也在不斷擴大，如不及時采取措施會導致更為嚴重的失穩。

3) 支護有效性。為防止巷道出現片幫，在工作面支護過程中也應當合理選擇支護設備。支護設備除起到支撐作用外還應當起到一定的保護作用，支護過程中應保證支護設備自身的穩定性，避免由于參數不合理而導致載荷過大，進而使煤壁承受的外界壓力值過大，最終導致片幫。實際生產過程中，出現片幫也會使設備自身發生不同程度的變形。因此，隨著工作面的不斷推進，應當對設備的支護能力進行優化，出現失效情況時應當及時采取對應措施。

3 片幫防治措施

3.1 增加支架保護裝置

為進一步保證巷道煤壁的穩定性，應當采用工作阻力較高的液壓支架作為支護設備，由于工作面支護設備大多已投入使用。因此，為增強原支護效果，需要在現有的支架上安裝保護裝置以加強支護能力。

3.2 加強煤壁自身承載力

1) 煤壁注水。由于目標工作面煤壁穩定性較差，注水時應當根據煤體實際情況進行綜合計算，其中，注水孔距離煤壁頂板的距離應當依據煤層自身采放比進行計算，一般情況下的注水孔距頂板約為0.3～0.6 m，注水傾角一般為15～30°。現場實踐后發現，注水有效半徑為3 m左右。綜合分析上述相關參數同時結合目標礦井生產實際，加強煤壁自身承載力的注水參數設計如下：注水孔間距設計為4 m，孔深5.5 m，注水壓力3～5 MPa，采用水力膨脹型封孔器，有效封孔深度為1 m，注水時間為15 min。

2) 工作面打錨桿。當工作面煤體破損較為嚴重時，可以使用錨桿加強巷道煤體穩定性。一般情況下，沿工作面頂板以 0.2 m間隔打設錨桿，其中錨桿的參數為：長1.8 m，直徑45 mm。特殊情況下可以采用錯位補打錨桿的方式以加強整體錨固力。其中，為進一步加強錨固效果，可以在錨桿打設完畢后在對應位置注水以加強煤體膨脹，通過錨固劑與水的綜合作用實現整體穩定性的提升。

4 結 語

綜上所述，當煤體本身結構較為松軟時，很容易受采動影響而導致出現片幫、頂板垮落等現象，最終對正常生產造成嚴重危害。實際生產過程中，三軟煤層的片幫一直是煤礦開采過程中的主要問題，通過對目標礦井片幫情況進行實測后發現，可以通過采用有效措施對其原有片幫情況進行改進以實現整體穩定性提升。其中，煤壁片幫大多與煤巖體自身性質、礦山壓力值以及支架支護等密切相關。結合目標礦井生產實際，對其原有的支護模式進行改進且經現場應用后發現，采用加固措施后，整個巷道的煤巖體穩定性顯著增強，礦山安全生產系數顯著增加。