大采高仰采工作面煤壁片幫控制技術研究

馬吉義

(晉能控股煤業集團 王莊煤業，山西 長治 047100)

在我國，大采高一次采全高工藝已經成為了各大礦區主要的開采工藝。大量實踐表明，大采高工作面在實現工作面高產高效的同時，也出現了如礦壓顯現劇烈、煤壁片幫嚴重、運輸機上竄下移嚴重、支架倒架等問題[1-2]。尤其對于仰采工作面，煤壁片幫更加嚴重，導致支架前梁接頂不嚴，易造成冒頂；片幫煤飛出運輸機，易造成人員傷害,給礦井安全開采帶來極大的隱患[3-4]。本文以王莊煤業3505大采高仰采工作面片幫治理為背景，通過分析工作面片幫原因，制定科學的防治措施，以保證礦井安全高效開采。

1 工程概況

王莊煤業位于山西長治市，主要開采3號煤層，其中3505工作面位于3號煤層35采區，煤層平均厚度4.85 m，，屬松軟厚煤層，煤層普氏系數f=0.7，煤層傾角1～11°，工作面形狀為“刀把子”，工作面1號切眼段367.5 m，2號切眼段360.5 m，推進長度2 016.04 m。為仰斜開采，工作面布置216臺ZY10000/26/55D液壓支架。直接頂為泥巖，平均厚度2.75 m，基本頂為細粒砂巖，平均厚度6.00 m，直接底為砂質泥巖，平均厚度3.60 m。工作面回采過程中發生不同程度片幫，尤其在來壓期間，常常出現大面積片幫現象，片幫深度500～2 000 mm，個別支架前出現了冒頂現象，直接影響到了工作面安全生產。

2 煤壁片幫機理

隨著工作面的不斷推進，頂板發生周期性垮落，當頂板發生彎曲變形，打破了工作面前方煤體內的應力平衡，尤其頂板臨近斷裂極限時，在煤體內部產生較大應力集中，集中的應力將產生能量集聚，當能量集聚到一定程度時，發生釋放，造成工作面片幫、炸幫。煤壁片幫形式大致分為3種，見圖1[5]。當工作面前方煤體內部產生的橫向拉應力超過自身的抗拉強度時，工作面發生圖1(a)垮落式片幫；當工作面煤壁產生的橫向拉應力超過煤體抗拉強度時，工作面發生圖1(b)鼓出式片幫；當工作面煤體內剪應力大于自身抗剪強度時，工作面發生圖1(c)滑落式片幫。由于王莊煤業3號煤層屬于松軟煤層，抗剪強度較低，結合現場實際情況，3505工作面的片幫為滑落式片幫，煤壁破壞主要為剪切破壞，煤壁上部區域易發生片幫。

圖1 煤壁破壞示意

對于3505工作面而言，仰采無疑是造成工作面片幫嚴重的又一原因。在工作面回采過程中，由于仰采角度大，造成液壓支架不能有效接頂，會造成煤壁前方一定范圍內長時間空頂，不能及時有效支護，在頂板壓力及自身重力影響下，極易發生片幫。

3 煤壁片幫注漿加固技術

3.1 注漿加固原理

注漿加固技術是當前治理煤壁片幫最常用的技術之一。通過對工作面前方煤體注入注漿材料，一方面利用注漿材料的粘結性能，將受到采動影響下破碎煤體內部裂隙重新膠結，增大巖體內部塊間相對位移的阻力,形成承載結構，增強煤體的強度；另一方面注入的漿體材料在煤體內部形成一定的結構，對煤體起到了一定的錨固作用，可以在一定程度上降低工作面煤壁片幫深度。

3.2 注漿鉆孔布置

結合現場及鉆孔條件，距離底板1.5 m的位置布置1排注漿鉆孔，距離頂板1.5 m的位置布置1排注漿鉆孔，兩排注漿鉆孔按三花布置。注漿孔孔徑42 mm，鉆孔孔深8 m，注漿孔的仰角為15°，封孔深度為2 m。(現場注漿時，注漿孔的具體位置及注漿孔的參數根據現場實際情況進行適當調整)。工作面注漿孔布置如圖2所示。注漿孔外面接注射管，再接封孔器，里面接花管。因煤層裂隙非常發育，單孔注漿量較大，暫定每孔注漿量在120桶左右。

3.3 注漿材料

本次注漿使用化學加固材料馬麗散NS對煤層進行預注漿加固，漿液在普通裂隙開度和孔隙率下的擴散半徑為1～1.5 m，開始注漿到漿液完全擴散或滲透到被注載體中所需要的時間一般為10～20 min，注漿時最大注漿壓力可達17～20 MPa，完全可以滿足注漿提升煤體強度及完整性的目的。

圖2 工作面注漿孔布置示意

3.4 注漿工藝

注漿設備及注漿工藝如圖3所示，將樹脂和催化劑兩種材料按照1∶1吸入氣動注漿泵中，由ZQBS-8.4/12.5注漿泵產生高壓分別將兩種材料通過高壓膠管送入專用注射槍，并在注射槍內實現混合后注入煤體中，最后進行封孔。在一個循環注漿完畢后，工作面推進距離不能超過5 m，需進行下一個循環的注漿，直至工作面煤壁和頂板轉好，工作面正常推進。

圖3 注漿工藝

3.5 其他輔助措施

1) 保證支架支護質量，保證支架端面距達到規定值，拉架完成后及時升緊支架，確保支架達到規定初撐力，及時打出護幫板。

2) 提高工作面推進速度，尤其工作面來壓過程中，提高甩壓速度，最大程度減少壓力持續時間。

4 片幫治理效果分析

為了分析注漿治理工作面片幫效果，特對注漿前后在來壓期間煤壁片幫最大深度及片幫深度超過500 mm的頻率進行了分析，如圖4、圖5所示。 由圖4可知注漿前來壓期間煤壁片幫最大深度達1 080 mm，明顯要大于注漿后的787 mm，而且注漿前片幫深度較大，充分說明3505工作面來壓期間煤壁片幫嚴重，在實施注漿加固措施后，片幫深度明顯降低。由圖5可以看出，在注漿之后周期來壓期間片幫深度超過500 mm的頻率明顯低于注漿前，煤壁片幫治理效果顯著。

5 結 語

1) 通過對工作面煤壁片幫機理進行分析，結合現場片幫形態，確定3505工作面煤壁片幫屬于滑落式片幫，其形成的破壞主要為剪切破壞，破壞易出現在上部區域。

2) 結合現場實際情況，采用了注漿加固對煤壁片幫進行治理，并對鉆孔布置、注漿材料、注漿工藝等相關參數進行了設計，并在現場實施。

3) 通過對注漿前后周期來壓期間片幫最大深度及超過500 mm的頻率分析，注漿加固對于工作面片幫治理效果顯著。