大采高仰采面煤壁片幫機(jī)理及加固技術(shù)研究

申建偉

（山西長(zhǎng)治經(jīng)坊莊子河煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100）

大采高采煤法是目前厚煤層開采的主要發(fā)展方向之一，采高的增大必然也會(huì)引起工作面煤壁臨空面積增大，并且對(duì)于仰采工作面，在礦壓作用下煤壁片幫幾率更大，支架容易出現(xiàn)支護(hù)效率下降、圍巖穩(wěn)定性降低、煤壁片幫等問題[1-2]。因此，解決大采高仰采工作面煤壁片幫問題是保證工作面安全高效開采的重要條件。

劉海龍[3]針對(duì)柳灣煤礦大采高仰采工作面片幫問題采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)探明了其機(jī)理，制定了合理的控制方案；張江波[4]采用對(duì)煤壁進(jìn)行預(yù)注漿改善支架應(yīng)力狀態(tài)有效控制了片幫現(xiàn)象； 馬盟[5]分析了煤體硬度、支護(hù)強(qiáng)度、仰俯采對(duì)煤壁片幫的影響，確定了采用提高煤體強(qiáng)度和增大支護(hù)強(qiáng)度的方法對(duì)煤壁片幫進(jìn)行控制。

1 礦井概況

經(jīng)坊煤業(yè)位于山西省長(zhǎng)治市，批準(zhǔn)開采3 號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模3 Mt/a，3-602 工作面位礦井井田西北部，設(shè)計(jì)工作面走向長(zhǎng)度1 600 m，傾斜長(zhǎng)度200 m。3 號(hào)煤層厚4.24～6.52 m，平均6 m，采用一次采全高采煤方法，局部仰采段仰采角度為13°～14°，最大仰采角度高達(dá)17°。

通過(guò)在井下工作面對(duì)煤壁片幫和冒頂情況的統(tǒng)計(jì)分析，3-602 工作面主要發(fā)生為煤壁上部片幫現(xiàn)象，分析原因可能是由于支架前方空頂區(qū)增大，煤壁在自身重力影響下增大了煤壁片幫的可能性，工作面支架難以及時(shí)跟進(jìn)，頂板的礦山壓力導(dǎo)致頂板發(fā)生冒頂和煤壁片幫，為保證工作面安全高效開采，需針對(duì)煤壁片幫機(jī)理及加固技術(shù)進(jìn)行研究。

2 大采高仰采面煤壁片幫機(jī)理研究

對(duì)于大采高工作面，煤炭采出后，煤壁由原先的三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為二向受力狀態(tài)，其承載能力大大降低，在頂板礦山壓力的作用下，導(dǎo)致煤壁表面位移增大，最終導(dǎo)致煤壁片幫發(fā)生。

2.1 仰斜開采煤壁破壞形式

（1）拉裂破壞

煤壁拉裂破壞主要由于在頂板礦山壓力作用下，產(chǎn)生了橫向拉應(yīng)力，而此類煤較硬較脆，不能通過(guò)煤自身變形進(jìn)行釋放應(yīng)力。因此，當(dāng)橫向拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤壁拉裂破壞。

（2）剪切破壞

煤壁剪切破壞是相對(duì)于較軟煤層，在頂板礦山壓力和煤壁自重作用下，產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力滯后，此類煤層可以通過(guò)自身變形進(jìn)行釋放應(yīng)力。但最終煤壁內(nèi)的剪應(yīng)力大于煤自身抗剪強(qiáng)度時(shí)發(fā)生剪切滑動(dòng)破壞。

2.2 大采高仰采工作面頂板結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

（1）采高對(duì)工作面頂板結(jié)構(gòu)的影響分析

隨著采高的增加，直接頂冒落高度增加，當(dāng)直接頂垮落后不能充滿采空區(qū)時(shí)，需要老頂斷裂進(jìn)行充填，因此形成平衡頂板結(jié)構(gòu)的層位會(huì)增高。在大采高工作面時(shí)，采空區(qū)高度較高，上覆巖層斷裂垮落過(guò)程較長(zhǎng)，使得整個(gè)工作面圍巖穩(wěn)定性變差，進(jìn)而導(dǎo)致煤壁片幫等情況發(fā)生。

（2）仰采角度對(duì)頂板結(jié)構(gòu)的影響分析

圖1中工作面進(jìn)行仰采時(shí)，直接頂巖層垮落后堆積在采空區(qū)后方，采空區(qū)前方會(huì)形成懸空空間。上覆巖層在自身重力的作用下，產(chǎn)生一個(gè)沿傾斜角度的分力，這一分力導(dǎo)致頂板巖層有向采空區(qū)滑動(dòng)的趨勢(shì)，頂板巖層在此分力作用下更易產(chǎn)生裂隙直至破碎，這一角度的存在不利于頂板巖層形成平衡拱。同時(shí)在仰采工作面，支架頂梁后端不能完全接觸頂板巖層，因此導(dǎo)致支架效率大大降低，當(dāng)仰采角度不斷增大時(shí)，直接頂巖層垮落后不是垂直底板冒落，而是由于重力作用，冒落后滑移一定的距離堆積于采空區(qū)后方，仰采角度越大這種情況越明顯。煤體在此類情況下有向采空區(qū)后方運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，容易發(fā)生煤壁片幫以及頂板不規(guī)則冒落。因此仰采角度也是影響工作面頂板結(jié)構(gòu)的重要因素。

圖1 工作面仰斜推進(jìn)時(shí)頂板結(jié)構(gòu)

3 大采高仰采面片幫加固技術(shù)研究

3.1 注漿加固原理

注漿加固技術(shù)原理為在煤體或者巖體本身存在的裂隙中注入漿液后，間接提高煤體或者巖體的完整性，加固自身穩(wěn)定性，直接表現(xiàn)為煤巖體各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)加強(qiáng)，大大降低煤壁片幫及頂板冒落的可能性。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）裂隙面變形剛度及抗剪強(qiáng)度增加

煤巖體中存在裂隙經(jīng)過(guò)注漿加固后，直觀表現(xiàn)為裂隙面內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力增大，煤巖體其他力學(xué)指標(biāo)會(huì)隨之增大，注漿加固宏觀上增強(qiáng)了圍巖的完整性，微觀上表現(xiàn)為改善了煤巖體的內(nèi)部裂隙面的變形剛度及抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而減小煤壁片幫可能性。

（2）注漿壓密轉(zhuǎn)變圍巖破壞機(jī)制

在煤巖體裂隙中注入漿液后，還可以改變煤巖體在承受壓力時(shí)內(nèi)部裂隙拉應(yīng)力的形成，降低裂隙產(chǎn)生時(shí)的應(yīng)力集中程度，改變煤巖體圍巖破壞機(jī)制。

（3）漿液骨架作用

漿液注入裂隙后，不但會(huì)充填滿內(nèi)部裂隙，還會(huì)在煤巖體內(nèi)部形成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，骨架結(jié)構(gòu)有著較好的韌性和抗拉收縮性能。當(dāng)煤巖體承受外部壓力導(dǎo)致受拉時(shí)，骨架結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形用來(lái)抵抗外部受力，從而提高圍巖的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，降低圍巖破壞的擴(kuò)展，從而減小煤壁片幫可能性。

3.2 注漿加固材料選擇及施工工藝

根據(jù)相似工作面的注漿經(jīng)驗(yàn)，采用具有膨脹性、強(qiáng)度較高的注漿加固材料波雷因（PN-1）。波雷因材料是一種有機(jī)高分子雙液型注漿材料，注入破碎巖體后迅速反應(yīng)與巖體凝固生成高強(qiáng)度、有韌性的固結(jié)體，從而達(dá)到對(duì)巖體的加固，用于工作面煤壁注漿加固防止片幫，斷層破碎帶預(yù)注漿加固。此類材料由A、B兩種材料組成，將兩種材料依次注入到破碎煤巖體中時(shí)，會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成強(qiáng)度較高、具有較大粘結(jié)性能的彈性體，在裂隙內(nèi)膨脹、滲透，貫穿裂隙面形成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)骨架，起到充填加固作用，使得較為破碎的煤巖體形成一個(gè)整體，降低片幫發(fā)生的可能性。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選取注漿參數(shù)：鉆孔直徑為60～80 mm，深度4～6 m，注漿壓力為4～6 MPa，注漿擴(kuò)散半徑不小于2.5 m；單孔注漿量為150～250 kg，采用布袋封孔方式進(jìn)行封孔。

3.3 注漿加固技術(shù)方案

（1）超前兩巷注漿

超前兩巷注漿選取在超前工作面煤壁50 m開始，間隔一定距離從工作面兩巷向煤體進(jìn)行鉆孔注漿，進(jìn)而加固煤體。3-602 工作面注漿鉆孔見圖2、圖3。在仰采段注漿孔沿上、下順槽布置，與順槽夾角為60°，注漿孔每間隔3 m布置一個(gè)，位置位于頂板下方1.5 m處，所有注漿孔平行布置，鉆孔直徑60～80 mm，鉆孔深度為60 m。

圖2 上下巷注漿鉆孔平面

圖3 工作面上巷注漿孔布置剖面

（2）工作面直接注漿

工作面直接注漿方案為：在工作面煤壁分別向煤體和頂板進(jìn)行鉆孔注漿，提高煤體和頂板巖層的完整性，注漿管還可以與煤巖體粘結(jié)在一起起到錨固作用。沿著煤壁每2 m布置一個(gè)注漿孔，分為高位孔和低位孔，兩類孔間隔布置，均在頂板下方1.5 m處進(jìn)行鉆孔，高位孔上仰角為30°～40°，孔深4.5 m，低位孔上仰角為10°～15°，孔深6 m，見圖4、圖5。

圖4 工作面加固段注漿孔布置斷面

圖5 煤壁高、低位注漿孔布置

4 大采高仰采工作面礦壓控制其它技術(shù)措施

1）加快工作面推進(jìn)速度

加快工作面推進(jìn)速度可以減小超前支承壓力對(duì)煤壁的作用時(shí)間，減小煤體損傷程度，減小煤壁片幫可能性。根據(jù)相似工作面開采經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)坊煤業(yè)3-602 工作面日推進(jìn)速度最小為2.4 m，當(dāng)工作面仰采推進(jìn)時(shí)，可適當(dāng)提高工作面推進(jìn)速度，進(jìn)而減小煤壁片幫可能性。

2）及時(shí)帶壓移架并提高初撐力

及時(shí)帶壓移架，支護(hù)頂板，使得支架頂梁與頂板保持緊密接觸，減小煤壁承受的頂板壓力，進(jìn)而可以避免煤壁片幫發(fā)生。支架初撐力要嚴(yán)格要求達(dá)到額定工作阻力的80%，支架接頂后，繼續(xù)送液3～5 s。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)經(jīng)坊煤業(yè)3-602 大采高仰采工作面煤壁片幫問題，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)手段進(jìn)行了研究，得到了如下結(jié)論：

1）理論分析得到大采高仰采工作面煤壁在自身重力及頂板礦山壓力的作用下，主要產(chǎn)生剪切破壞和拉裂破壞兩種破壞形式；分析了采高和仰采角度對(duì)頂板結(jié)構(gòu)的影響；

2）根據(jù)相似工作面注漿經(jīng)驗(yàn)，確定了相關(guān)注漿參數(shù)，并提出了兩巷超前注漿和工作面煤壁注漿兩種不同的煤巖體加固注漿方案；

3）可以通過(guò)加快推進(jìn)速度、及時(shí)帶壓移架控制工作面煤壁片幫。