晶鑫煤業(yè)綜放面煤壁片幫機理及控制技術(shù)

張躍兵

（山西陽城陽泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)股份有限公司，山西 晉城 048100）

1 工程概況

陽泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)3217工作面位于礦井西采區(qū)+630水平，工作面埋深98～132m，平均110m，地表為山坡耕地，無其他建筑物。3217工作面東為西三級大巷、南為西二級大巷、西為礦界保安煤柱、北為3215采空區(qū)。工作面主采3號煤層，平均煤厚4.8m，煤層傾角1～3°，屬近水平煤層，采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板，采高2.0m、放頂煤高度2.8m、步距為0.6m。工作面?zhèn)雾敒樯百|(zhì)泥巖，厚度2.1m，質(zhì)地松軟破碎；直接頂為性脆致密的中粒砂巖，厚度3.3m，裂隙發(fā)育，巖心破碎；老頂為灰色細(xì)砂巖，厚度9.9m，石英為主，質(zhì)地較硬；直接底為泥巖，厚度0.6m，性脆致密；基本底為粉砂巖，厚度3.2m，薄層狀，含較多砂質(zhì)泥巖帶。

由于3217工作面本身放頂煤工藝和煤層地質(zhì)條件的問題，采場經(jīng)常出現(xiàn)煤壁片幫，造成頂板漏冒的問題。片幫或漏冒后產(chǎn)生的煤巖塊容易積聚在采場周圍，給割煤、運煤、支護(hù)工作帶來了極大不利影響，耽誤了工作面正常生產(chǎn)進(jìn)程，嚴(yán)重威脅了人員及設(shè)備的安全，成為了3217工作面當(dāng)前亟需解決的主要問題。

2 3217綜放面煤壁片幫機理

3217綜放面向前推進(jìn)過程中，頂板經(jīng)歷初次來壓和周期來壓過程，基本頂破斷旋轉(zhuǎn)形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，超前支承壓力在深入煤壁一定位置處出現(xiàn)峰值，受超前集中載荷的影響，峰值區(qū)域的煤體會出現(xiàn)擠壓裂隙發(fā)育，煤體變得更破碎。當(dāng)3217工作面逐漸向前推進(jìn)的過程中，遇到這部分穩(wěn)定狀態(tài)已破壞的煤體時，在支架、頂板、煤體的共同作用下，煤壁位置很容易出現(xiàn)片幫現(xiàn)象[1,2]。

煤壁片幫剝落的煤體厚度都比較小，可以將其視為平面應(yīng)變問題進(jìn)行研究，建立如圖1所示采場煤壁片幫力學(xué)結(jié)構(gòu)，Q為上覆煤巖層重量;Q2為超前支承壓力;P為支架支護(hù)阻力;θ為支架立柱與水平方向夾角;Q1為頂板傳遞壓力;Q3為頂板巖塊回轉(zhuǎn)下沉附加力;T為支護(hù)板阻力;p0為滑落體受豎直載荷、R為滑落體受到的支撐反力;R1x和R1z為滑落體底部受摩擦阻力和支撐反力;n為滑落面的法線;ds為滑落面單位面積;dv為滑落體的單位體積;γ為煤比重。豎直方向與水平方向的離得平衡可用下式表示：

圖1 采場煤壁片幫力學(xué)結(jié)構(gòu)

由圖1和上述公式定性可知，影響煤壁滑落體速度矢量的主要因素為頂板載荷、支架護(hù)幫板水平力和滑落面的位置，滑落面的位置又和煤體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角緊密聯(lián)系。煤壁片幫形式主要有拉伸劈裂破壞和壓剪滑移破壞，當(dāng)煤體受超前支承應(yīng)力峰值影響后變得裂隙發(fā)育破碎后，由于采煤機割煤后支架不能及時支開護(hù)幫板，造成在頂板壓力影響下的煤壁開始從滑落面出現(xiàn)移動趨勢，上方頂板逐漸回轉(zhuǎn)下沉，頂板壓力逐漸增加，護(hù)幫板的水平力已不足以支撐滑落體穩(wěn)定，片幫現(xiàn)象開始發(fā)生。出現(xiàn)片幫后，若不及時采取控制措施，會進(jìn)一步造成頂板冒落，甚至是臺階下沉的嚴(yán)重事故[3-5]。

3 3217綜放面采場片幫控制方法

3.1 煤壁片幫控制思路

根據(jù)采場煤壁片幫力學(xué)分析，要保證工作面前方煤壁的穩(wěn)定性，主要是從控制頂板垂直壓力、增加水平支護(hù)力和控制煤壁滑落面三個方面入手：

1）煤壁所受的頂板垂直應(yīng)力主要由頂板斷裂塊的回轉(zhuǎn)下沉引起，增加工作面支架的支護(hù)強度和支護(hù)阻力，能夠有效減弱斷裂塊下沉趨勢，確保煤壁受力穩(wěn)定。

2）支架水平支護(hù)力的作用效果與支護(hù)力大小和支護(hù)是否及時有關(guān)，及時對煤壁施加較強的水平支護(hù)力，阻止已破碎煤體繼續(xù)發(fā)育，能夠控制割煤前煤壁的整體穩(wěn)定。

3）煤壁滑落面的形成主要與煤體自身性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)煤體內(nèi)聚力較小或內(nèi)摩擦角較大時，煤體易出現(xiàn)滑落面發(fā)育，通過增加煤體整體性可以減緩或消除煤壁滑落面的產(chǎn)生。

3.2 3217綜放面技術(shù)實踐

根據(jù)3217工作面煤壁片幫控制思路，在采場推進(jìn)過程中確定采用以下幾方面的控制措施：

1）3217工作面主要采用了 101架ZF2800/16/24型液壓支架，確保支架初撐力不低于規(guī)定值的80%，即不得小于25.2MPa，安全閥開啟壓力34.9MPa，工作面推進(jìn)過程中定時檢測支架工作狀態(tài)，保證支架工作阻力。滯后采煤機組1～2架，馬上進(jìn)行移架工作，此過程帶壓擦頂前移，移架后迅速伸出前梁，打開護(hù)幫板，支柱收縮高度控制在100mm以內(nèi)，使支架護(hù)幫板能及時作用于煤壁，在時間和空間上進(jìn)行不間斷支護(hù)，阻止煤壁滑落體的移動。3217工作面正常一個循環(huán)進(jìn)尺為0.6m，日循環(huán)數(shù)為4次，提高工作面推進(jìn)速度，可將日循環(huán)數(shù)增加至6～8次，快速割煤后能夠有效減少采場煤壁的裸露時間，降低頂板垂直應(yīng)力對煤壁的作用時間，減弱煤壁片幫發(fā)生程度。

2）3217工作面遇片幫現(xiàn)象較嚴(yán)重區(qū)域，補打木錨桿進(jìn)行煤壁加固，具體施工見圖2。鉆孔采用手持式煤電鉆濕式鉆孔，麻花鉆桿長為1.2m和1.5m。錨桿為紅松原木材質(zhì)，直徑為45mm，三排五花眼布置，眼距0.75m，底排距底部800mm，桿體1500mm，垂直煤壁30°打設(shè)；中排水平打設(shè)，長度1200mm，距底部1200mm；頂板排距頂200～300mm，與水平方向30°打設(shè)，桿長1500mm。錨桿及時打緊，一端100mm范圍內(nèi)削成棱角狀，另一端外露長度不大于100mm。

圖2 木錨桿布設(shè)位置

3）3217工作面遇到斷層等構(gòu)造地段時，可以采用注漿煤壁加固技術(shù)，用以粘結(jié)補強、轉(zhuǎn)化破壞機制。根據(jù)3217工作面實際已發(fā)生片幫情況，注漿位置在主要集中在采場中部片幫較嚴(yán)重區(qū)域，采用馬麗散注漿，鉆孔直徑42mm，由于煤體裂隙較發(fā)育，只在煤體中部布置單排眼，間距4.0m、孔深6.0m，與水平方向成10°打設(shè)，封孔長度不小于1.0m，注漿壓力不宜過大，確定為3～4MPa。注漿泵選用ZBQ-5/12型氣動高壓雙液化學(xué)泵，高壓膠管直徑19mm，注射花管直徑10mm，注漿完畢后及時清洗設(shè)備和附件。

圖3 注漿加固系統(tǒng)

3.3 工程應(yīng)用效果分析

晶鑫煤業(yè)3217綜放面在采用上述方式進(jìn)行煤壁片幫控制后，需要對煤壁控制效果進(jìn)行檢驗對比。在支架上布置5個測站，測站間距為20架，測站編號支架分別為18號、38號、58號、78號、98號，記錄實施控制措施前后的煤壁片幫深度，如圖3所示。煤壁片幫現(xiàn)象主要在整個采場中部區(qū)域煤體發(fā)生，控制措施采取前后均是同曲線的最大值。根據(jù)對比效果，片幫深度最大值從1.5m降低到0.5m，平均深度從1.0m降低到0.4m，煤壁片幫的范圍從90%降到至35%；3217綜放工作面月進(jìn)尺也從60m增加到了90m，月產(chǎn)量達(dá)到了6.5萬t，生產(chǎn)能力提高了44%。可見，3217工作面煤壁采取控制技術(shù)后，大大減少了片幫發(fā)生范圍和深度，緩解了片幫現(xiàn)象對工作面生產(chǎn)的影響，提高了月進(jìn)尺和月生產(chǎn)能力，保證了人員與設(shè)備的安全，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 3217采場片幫深度對比

4 結(jié)論

晶鑫煤業(yè)3217綜放工作面采場煤壁易出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，片幫主要受頂板載荷、水平護(hù)幫力和滑落面位置影響，可以采用控制頂板垂直壓力、增加水平支護(hù)作用力和增大煤體自身穩(wěn)定性的相關(guān)舉措進(jìn)行片幫控制。采取控制措施后的3217工作面片幫范圍降低至35%，月生產(chǎn)能力提高了44%，實現(xiàn)了工作面安全高效生產(chǎn)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。