大采高綜采工作面頂板與煤壁穩(wěn)定性控制技術(shù)研究

張和平

【摘 要】 為了提升復(fù)雜地質(zhì)大采高綜采工作面頂板與煤壁穩(wěn)定性，減小頂板冒落、煤壁片幫事故，本文采用數(shù)值模擬手段對煤壁片幫影響因素進行分析，提出在頂板采用劈裂與滲透相結(jié)合的注漿加固工藝，在煤壁采用滲透注漿加固工藝，從而對采面圍巖進行全方位加固。現(xiàn)場實踐表明，通過注漿后，冒頂及煤壁片幫問題得以顯著控制，除煤層上覆200～300mm偽頂冒落外，頂板基本不出現(xiàn)冒頂，煤壁基本不出現(xiàn)片幫，同時采用的超細水泥廉價性注漿成本較低，取得較好的經(jīng)濟及安全效益。

【關(guān)鍵詞】 大采高;頂板穩(wěn)定;煤壁片幫;劈裂注漿;滲透注漿;超細水泥

【中圖分類號】 TD323 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）03-0009-03 開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

大采高綜采工作面開采極其容易導(dǎo)致頂板冒落、煤壁片幫等問題，給采面正常生產(chǎn)帶來不利影響。當采面出現(xiàn)大范圍片幫時，若采用單體支柱、板梁在煤壁幫做臨時支護，作業(yè)人員需要在煤幫側(cè)作業(yè)，不僅煤壁片幫會威脅作業(yè)人員安全，同時煤幫支護效果也不明顯。確保大采高綜采工作面頂板及煤壁穩(wěn)定是實現(xiàn)采面高效開采的前提，注漿加固是解決上述問題的一個重要技術(shù)手段。

文中提出在頂板采用滲透+劈裂注漿方式避免冒頂發(fā)生，在煤壁采用滲透注漿方式降低片幫發(fā)生率，有效提升頂板及煤壁穩(wěn)定性。

1工程概述

山西某礦1607大采高綜采工作面開采6號煤層，煤厚介于4.46～6.15m，平均5.35m，傾角介于0～6°，平均3°。采面設(shè)計推進長度2068m、斜長205m。6號煤層底板為泥巖，頂板為砂質(zhì)泥巖。采面設(shè)計開采高度為5.30m，開采時若煤厚在5.50m以上時采用沿頂留底開采方式，最大采高控制在5.50m。由于受到地質(zhì)構(gòu)造影響，造成煤層賦存條件發(fā)生變化，且無法有效預(yù)測，造成采面開采時容易出現(xiàn)嚴重片幫、頂?shù)装宄霈F(xiàn)大臺階等問題，極其容易誘發(fā)頂板大面積冒落，給采面正常生產(chǎn)帶來影響。

2采面煤壁片幫機理分析

2.1煤層硬度對煤壁片幫影響

具體不同煤層硬度（f值）時綜采面塑性區(qū)發(fā)育范圍及煤壁水平位移模擬結(jié)果見圖1。

當煤體硬度f=0.2時，煤壁前方出現(xiàn)的塑形破壞區(qū)范圍約5.0m左右，出現(xiàn)大面積塑形破壞;當煤體硬度f=0.6時，煤壁前方出現(xiàn)的塑形破壞區(qū)范圍約4.5m，塑形破壞區(qū)范圍有所降低;當煤體硬度f=0.8時，煤壁前方出現(xiàn)的塑形破壞區(qū)范圍約3.0m，塑形破壞區(qū)范圍進一步降低;當煤體硬度f=1.0時，煤壁前方出現(xiàn)的塑形破壞區(qū)范圍約3.0m，頂板塑形破壞區(qū)范圍明顯降低。

隨著開采煤體硬度f值增加，開采空間內(nèi)塑性區(qū)發(fā)育范圍逐漸降低，煤壁片幫發(fā)生概率也呈降低趨勢，頂板下沉量也明顯降低，頂板及煤壁穩(wěn)定性均大幅提升。

2.2采深對煤壁片幫影響

隨著采面開采深度增加，煤壁片幫發(fā)生率、深度及煤體塑形破壞面積等均呈增加趨勢。開采深度在400m以前時，煤壁無明顯片幫趨勢，煤壁水平位移量較小，增長幅度較低;開采深度超過600m時，煤壁水平位移量顯著增加，特別是煤壁中部水平位移量增加更為明顯，煤壁片幫發(fā)生率增大;當采深超過800m時，整個采面煤壁均出現(xiàn)塑形破壞，且煤壁上部可能率先出現(xiàn)片幫，支架強度無法有效支撐頂板，頂板呈現(xiàn)緩慢下沉情形，采面支架有出現(xiàn)傾倒傾向。

2.3采高對煤壁片幫影響

隨著采高M增加，采面前方煤體塑形破壞區(qū)范圍也不斷增大，片幫發(fā)生概率及深度也不斷增加。

當采高M=2.0m時，采面前方煤體內(nèi)塑性區(qū)發(fā)育范圍僅為2.0m，此采高時煤壁有輕微的片幫傾向;當采高M=3.0m時，采面前方煤壁內(nèi)塑性區(qū)發(fā)育范圍擴展至3.0m;當采高M=4.0m時，采面前方煤壁大部分出現(xiàn)剪切破壞，煤壁最大片幫深度達到3.5m;當采高M=5.0m時，采面前方塑形區(qū)范圍進一步加大，煤體均出現(xiàn)剪切破壞，煤壁中部在拉伸應(yīng)力及剪切應(yīng)力共同作用下，最大破壞深度達到5.0m，破壞區(qū)面積增加明顯。

2.4支架支撐阻力P對煤壁片幫影響

大采高工作面開采過程中，采面支架支撐強度對控制煤壁片幫有較大作用，具體見圖2。

隨著支架支撐阻力增加，頂板下沉量得以顯著控制，前方煤體內(nèi)破壞區(qū)深度以及煤體破壞區(qū)范圍均呈現(xiàn)降低趨勢，煤壁片幫深度及片幫發(fā)生率也隨之降低。

2.5護幫板水平支撐力q對煤壁片幫影響

護幫板水平支撐力對片幫影響結(jié)果見圖3，當支架護板幫提供的水平支撐力為100kN時，采面前方煤體內(nèi)塑形破壞區(qū)范圍較大，最大破壞深度達到5.0m。護幫板水平支撐強度達到500kN時，采面前方煤壁塑性區(qū)范圍及深度均大幅度降低，最大破壞深度降低至3.0m。同時隨著護幫板水平支撐力增加，頂板及煤壁穩(wěn)定性均有所改善。

從上述分析得知，硬度f值越大，煤體自身穩(wěn)定性越強，煤壁不容易出現(xiàn)片幫;采深H越深、采高M越大，頂板壓力越大;液壓支架支撐阻力P越大，煤壁處頂板壓力越小，煤壁穩(wěn)定增強，越不容易發(fā)生片幫;支架護幫板水平支撐力q越大，煤壁圍壓越大，煤壁出現(xiàn)片幫可能性越低，護幫板在防煤壁片幫中能起到較好作用。

因此，采用提高支架工作阻力以及護幫板支護強度，適當降低采面開采高度以及提高圍巖強度是防治煤壁片幫的最為有效技術(shù)措施。

3采面圍巖注漿加固技術(shù)

數(shù)值模擬結(jié)果表明，松軟且裂隙發(fā)育的煤層在采動動壓影響下，煤體強度有所降低，提升圍巖強度對避免頂板冒頂及煤壁片幫具有重要意義。因此，提出在采面頂板采用劈裂結(jié)合滲透注漿方式對頂板巖層進行加固，對采面煤壁采用滲透注漿方式加固煤體，從而實現(xiàn)采面前方煤體及頂板的全方位注漿加固。

3.1注漿鉆孔布置

在采面采用頂板巖層及采面煤體耦合注漿加固，加固地點超前回采工作面100m，在16071、16702巷分別進入一組注漿人員平行進行注漿。注漿鉆孔沿采面回采巷道走向方向布置，具體見圖4，I區(qū)內(nèi)布置位于煤層頂板上方2m位置，鉆孔間距10m;待I區(qū)內(nèi)鉆孔完成一個循環(huán)（100m）注漿后，開始布置II區(qū)內(nèi)注漿孔，鉆孔間距為10.0m，注漿孔深度均為115.0m。

每完成一個循環(huán)（10個鉆孔）鉆孔施工后，及時對鉆孔進行注漿，同時在I區(qū)內(nèi)完成一個循環(huán)（100m）鉆孔注漿后，再進行II區(qū)內(nèi)鉆孔施工及注漿工作。

3.2注漿材料

注漿選用超細水泥，并在注漿時適當加入高效分散劑（約占超細水泥量的2%～5%），注漿漿液水灰比控制在0.6∶1～0.8∶1。

依據(jù)以往注漿情況，注漿鉆孔內(nèi)漿液的有效擴散半徑為2.5m。依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件及有關(guān)理論研究成果，頂板鉆孔內(nèi)注入量為0.18m3/m即可實現(xiàn)頂板巖層穩(wěn)定性控制。

4注漿效果分析

4.1采面頂板冒落及煤壁片幫情況

16701、16702巷道內(nèi)注漿前后頂板冒落、煤壁片幫統(tǒng)計情況見圖5。

從圖中看出，對頂板及煤壁注漿后，頂板冒落及煤壁片幫范圍均大幅低于未注漿區(qū)域，表明注漿提升采面頂板及煤壁穩(wěn)定性，起到較好的圍巖控制效果。同時通過對頂板及煤壁注漿，可以減少采面支護材料使用量，降低采面支護成本及勞動人員作業(yè)強度。

4.2圍巖加固效果分析

在采面未注漿時，雖然局部采用高聚物注漿方式進行圍巖加固，但是采面內(nèi)仍出現(xiàn)較為嚴重的頂板冒落及煤壁片幫問題。具體在采面上部位置（1號～62號支架間）頂板最大冒落深度達到2.5m，煤壁最大片幫深度及高度分別達到2.0m、6.0m;在采面中下部位置（69號～136號支架間）頂板最大冒落深度達到2.5m，煤壁最大片幫深度及高度分別達到3.0m、5.0m。煤壁片幫及頂板冒頂嚴重影響采面正常生產(chǎn)。

在采面注漿加固區(qū)域除去采面?zhèn)雾斦５袈洌叨纫话阍?.3～0.35m外，煤壁、頂板基本無片幫、冒落現(xiàn)象，采面開采時頂板及煤壁均保持穩(wěn)定，未發(fā)生由于冒頂或者片幫造成制約采面生產(chǎn)的問題，采面正常生產(chǎn)速度保持在3.0m/d。

4.3注漿段漿液充填率分析

在采面注漿段內(nèi)共注入超細水泥約270t，水泥漿水灰比為0.8∶1～1.0∶1，共計注入的水泥漿量約為450m3，單個注漿孔的注漿量約為18.8m3。注漿時漿液損失率約為5%，注漿后漿液結(jié)石率約為95%，漿液有效擴散半徑達到2.5m以上，充填率約為28.2%，接近最佳充填率（30%），注漿達到預(yù)期效果。

5結(jié)論

采用數(shù)值模擬手段對大采高工作面頂板冒落及煤壁片幫影響進行分析，發(fā)現(xiàn)煤壁片幫主要原因是由于頂板垮落、采面采動動壓等造成前方煤體出現(xiàn)剪切或拉伸破碎，產(chǎn)生大量的豎向裂隙，加之開采卸荷，水平作用力瞬間消失，造成煤壁出現(xiàn)剪切滑移;采面頂板缺乏水平及豎向支撐而出現(xiàn)冒落。

根據(jù)煤壁片幫分析結(jié)果，提出在采面頂板巖層采用以滲透結(jié)合劈裂注漿方式對巖層進行控制，在采面前方煤體采用滲透注漿方式進行加固，從而對采面圍巖進行全方位加固。

注漿后采面圍巖穩(wěn)定性顯著增強，煤壁片幫及冒落問題得以顯著控制，同時采用的超細水泥成本較低，僅為聚氨酯等有機材料的1/9。

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