大采高工作面采場煤壁柔性加固技術(shù)應(yīng)用研究

賈韶華

（潞安集團(tuán)李村煤礦，山西 長治 046600）

1 工程概況

李村煤礦1306 工作面開采3 號煤層，煤層埋深500 m，煤層傾角平均4°，厚度平均5.0 m，可采長度530 m，切眼長度270 m。工作面煤層開采方式為一次采全高，循環(huán)進(jìn)度0.8 m，日循環(huán)6個，工作面區(qū)域內(nèi)斷層等構(gòu)造較少，結(jié)構(gòu)簡單。基本頂為細(xì)粒砂巖，厚11.9 m，深灰色，中層厚狀，質(zhì)地較硬；直接頂為砂質(zhì)泥巖與粉砂巖互層，厚5.2 m，泥質(zhì)松散，吸水性強(qiáng)；直接底為砂質(zhì)泥巖，厚2.2 m，中層厚狀，平坦?fàn)顢嗫冢换镜诪榧?xì)粒砂巖，厚2.4 m，鈣質(zhì)膠結(jié)，裂隙發(fā)育，斜層理。1306 工作面采煤機(jī)為MG750/1940-WD 電牽引雙滾筒采煤機(jī)，中間支架型號為ZY13000/28/62D，過渡支架型號為ZYG13000/28/62D，端頭支架型號為ZYT13000/26/55D，工作面共158 組支架。

1306 綜采面開采煤層厚度大，在一次采全高的過程中，難免會出現(xiàn)支架移架不及時，前擋板打開較慢的情況，導(dǎo)致采場上方煤體裸露時間過長，造成支架前頂板冒落的問題，如圖1。煤層埋藏深度加大，開采所受地應(yīng)力及采動應(yīng)力情況復(fù)雜，在采煤機(jī)滾筒截割壓力的影響下，前方煤壁易片幫，造成割煤工序受阻，嚴(yán)重會導(dǎo)致人員損傷及設(shè)備破壞。針對工作面前方煤壁的穩(wěn)定性控制，采取合適的加固方法成為1306 綜采面安全生產(chǎn)的重要前提。

圖1 1306 綜采面煤壁破碎情況

2 柔性加固技術(shù)的原理

煤壁片幫或支架前頂板冒落，一般采用木錨桿支護(hù)或注化學(xué)漿液的方式進(jìn)行控制，但對1306 綜采面而言，木錨桿無法針對強(qiáng)烈采動和地應(yīng)力情況做出有效支護(hù)，注化學(xué)漿液的成本又比較高，危險(xiǎn)系數(shù)也高。

柔性加固技術(shù)就是采用柔性棕繩材料與注漿技術(shù)相結(jié)合的控制技術(shù)，如圖2。棕繩作為錨桿替代體，能夠?qū)⒚撀涿后w與前方煤體進(jìn)行連接，增加了采場煤體的完整性；注漿管與棕繩配合注漿，可以進(jìn)一步保證棕繩緊密地附著在煤體鉆孔中，阻止煤體滑落而導(dǎo)致傷人事件發(fā)生。注漿后，棕繩在漿體包裹下與煤體充分粘接形成全長錨固的作用，從而實(shí)現(xiàn)加固煤體、控制變形的效果。因此，以“棕繩+注漿”為主的柔性加固技術(shù)是實(shí)現(xiàn)1306 大采高工作面采場煤壁安全保證的重要措施。

柔性加固技術(shù)涉及棕繩選擇和注漿工藝兩部分。棕繩的抗拉強(qiáng)度和伸長率均與棕繩直徑成正比，塑性區(qū)破壞范圍和應(yīng)力峰值深度與直徑成反比。隨著直徑的增大，破壞范圍與峰值深度變化速率均不斷減小，說明棕繩直徑的繼續(xù)增大護(hù)幫效果變化不明顯。煤壁強(qiáng)度隨注漿壓力增加而增大，但超過某一限值后會出現(xiàn)沖蝕現(xiàn)象，注漿壓力的大小應(yīng)與煤體破碎狀態(tài)相關(guān)聯(lián)確定。

圖2 柔性棕繩加固原理

3 采場煤壁加固

3.1 工程實(shí)踐

（1）不同構(gòu)造地段加固方案設(shè)計(jì)

1306 綜放面煤壁確定采用“棕繩+注漿”的柔性加固方式進(jìn)行片幫或冒頂控制。根據(jù)煤壁所在的不同地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，工程實(shí)踐采取正常地段、構(gòu)造地段與其他受水文影響的復(fù)雜地段分別設(shè)計(jì)控制措施。正常段、構(gòu)造段、復(fù)雜段的柔性加固方案見表1。

表1 不同構(gòu)造地段柔性加固方案

（2）正常段柔性加固方案施工方案

1306 工作面以正常段柔性加固方案施工為例，對具體施工方式進(jìn)行分解。

首先確定施工范圍。由于煤壁主要在采場中部位置出現(xiàn)較嚴(yán)重破壞，注漿范圍先選取工作面中部支架部分（支架編號為25#～126#），在遇到構(gòu)造段或復(fù)雜段時可根據(jù)情況增加范圍。

采用風(fēng)動鉆機(jī)在工作面煤壁打孔，孔徑42 mm，鉆深為8 m，布置在兩相鄰支架護(hù)幫板之間。由于正常段處礦壓顯現(xiàn)較緩和，鉆孔靠近頂板打設(shè)，距底板距離為4 m，鉆孔只打設(shè)一排，間距為4 m。為保證注漿對頂板最大范圍加固效果，鉆孔向頂板方向與水平夾角成10°打設(shè)。

棕繩直徑選取為24 mm，注漿管選用32 mm 外徑的鐵皮管。鉆孔成孔后，將棕繩與注漿管捆綁，每隔0.5 m做一個固定點(diǎn)，將繩與管共同放入鉆孔中。

注漿材料為波雷因漿液，其中單料混合比例為1:1，注漿泵型號為ZBQ-5/12 礦用氣動注漿泵。由于1306 工作面煤質(zhì)較為松軟，注漿壓力經(jīng)過優(yōu)選為3.0 MPa 的低壓注漿，可以促進(jìn)漿液滲透至煤體裂縫中，提高加固效果。單孔注漿漿液為10～15 桶，單桶質(zhì)量為25 kg，孔口出現(xiàn)返漿現(xiàn)象后停止注漿。

由于注漿孔與水平方向有一定夾角，孔口采用紗布進(jìn)行漏漿控制，將強(qiáng)度較低的注漿管與棕繩一同留在孔內(nèi)，與漿液共同作用形成全長錨固效應(yīng)，如圖3。

圖3 柔性注漿加固工藝

（3）施工安全措施

施工段進(jìn)行登高作業(yè)時，必須有專人護(hù)梯，確保人員安全；所有電器設(shè)備和管線在注漿前應(yīng)用防水布和舊風(fēng)筒蓋好，防止?jié){液灑落在設(shè)備和管線上；注漿時應(yīng)注意觀察巷道變形和壓力表情況，嚴(yán)禁無壓力控制注漿；注漿期間處理注漿設(shè)備或管路時，必須進(jìn)行卸壓處理，嚴(yán)禁人員站在泄壓閥前；嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的注漿參數(shù)進(jìn)行工作，做好原始記錄；出現(xiàn)漏漿時要及時采用黃泥或錨固劑封堵，注漿壓力過大時應(yīng)及時停機(jī)檢查。

3.2 工程應(yīng)用效果分析

為探究1306 綜放面煤壁柔性加固技術(shù)的實(shí)施效果，在工作面中部支架每隔10 架布置10 個測站，觀測注漿前后煤壁片幫的高度和深度，結(jié)果如圖4。

圖4 1306 綜放面采場煤壁片幫控制比較

圖4 可以看出，注漿前后無論是片幫高度還是片幫深度均呈現(xiàn)減小趨勢，采場煤壁發(fā)生片幫的次數(shù)也呈現(xiàn)不同程度降低。采用柔性注漿加固技術(shù)前，片幫高度為0.8 m 時發(fā)生的次數(shù)最多為28 次，片幫深度為0.2 m 時的次數(shù)最多為19 次。采取控制措施后，片幫高度發(fā)生最多次數(shù)為14 次，破壞高度僅為0.5 m，片幫深度0.2 m 的發(fā)生次數(shù)也降低到了11 次。

從工作面生產(chǎn)推進(jìn)過程來看，采場處理煤壁片幫時間從90 min 降低到25 min，降幅達(dá)72%，工作面日產(chǎn)量也從0.86 萬t 提高到1.12 萬t，增幅30.1%。1306 工作面整體生產(chǎn)流暢度增強(qiáng)，人員及設(shè)備安全性得到保障，能夠滿足1306 大采高綜采面安全高效的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

棕繩的高伸長率和強(qiáng)抗拉的力學(xué)特性，結(jié)合注漿作用的柔性加固系統(tǒng)能夠在煤體中形成全長錨固的作用，將松動煤體穩(wěn)固地附著于原有煤體之中。1306 工作面在采用“棕繩+注漿”柔性加固技術(shù)后，煤壁發(fā)育的深度、高度和占據(jù)工作面的范圍均大幅減小，工人勞動強(qiáng)度和設(shè)備安全性得到保證，1306綜放面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益能夠最大限度實(shí)現(xiàn)。