松散煤層工作面煤壁高壓注水防片幫技術研究

盛 磊

（安徽省淮北礦業集團蘆嶺煤礦，安徽 淮北 235000）

煤炭行業作為帶動國家經濟發展的重要方面，其生產的安全性也尤為重要，據不完全資料統計，2009-2018年全國發生的8 類煤礦事故類型中，由于片幫、冒頂等誘發的頂板事故造成的死亡人數相對較多，占總死亡人數的32.4%[1]。片幫、冒頂極易引起大塊煤巖體的垮落，片幫造成支架前端至煤壁間的空頂面積擴大，在頂板壓力的作用下，容易發生冒頂事故，從而導致機器設備損壞和人員傷亡，給工作面生產造成巨大威脅，嚴重影響推進速度和煤炭產量。尤其在松散厚煤層的開采中，由于此類煤層具有煤體、頂板、底板均較松散等問題，當工作面采高較大時，前方煤體裂隙較為發育，極易出現支架插底嚴重、支架遷移困難，煤壁片幫、冒頂等問題[2-4]。

大量工程實踐表明，對含泥量較大的松散煤層進行合理的注水能夠提高煤體的黏結性，有效減少工作面片幫、冒頂事故的發生[5-7]。國內外不少專家和學者對煤層注水技術進行了大量研究，并取得了較多具有指導意義的研究成果。王家臣教授[8]詳細分析了極軟煤層煤壁片幫與防治機理，提出通過減緩煤壁壓力和提高煤體抗剪強度的技術途徑來防治極軟煤層煤壁片幫。李國棟等[9]采用二維離散元分析軟件UDEC 在趙固二礦11011 工作面建立數值模型，通過模擬煤層注水，發現煤層應力峰值會向深部推移，有利于維護工作面煤壁穩定性，減少片幫。劉生優等[10]等采用理論分析、數值模擬和相似模擬實驗相互驗證的研究方法，分析并研究渦北礦“三軟”近距離81 和82 煤層的煤壁片幫原因及機理，創造性地提出了煤層動壓注水技術，通過提高煤體的內聚力，進而提高抗剪強度和降低抗壓強度來達到治理煤壁片幫的目的，所在工作面取得了成功應用。楊治國等[11]等采取深孔中壓注水后，超前增加了煤體中的水分，增加煤體整體性及抗壓能力，同時使松散的煤體固結在一起，充分銹結，增強了煤體整體黏結性，片幫區域大幅度減少。黃騰瑤等[12]通過COMSOL 數值模擬軟件，根據煤體含水率與水壓力之間的關系，將孔隙水壓達到1.5 MPa 作為煤體濕潤的界限，擬合出煤層不同注水壓力與濕潤半徑的指數型函數關系。本文將以淮北礦業集團蘆嶺煤礦Ⅲ811 工作面為工程背景，依據已知的煤層賦存特征，研究松散煤層淺孔高壓注水技術實現煤壁的穩定控制。

1 工程背景

蘆嶺煤礦Ⅲ811 綜放工作面煤系地層為二疊系，該含煤地層為下石盒子組。根據Ⅲ811 工作面“三巷”揭露及地面勘探資料分析，工作面區域8 煤層賦存較穩定，結構復雜，厚度3.33～14.75 m，平均煤厚8.25 m，煤層局部發育有一層夾矸；9 煤層賦存不穩定，煤層結構簡單，厚度0～4.25 m，平均煤厚1.21 m。Ⅲ811 工作面8 煤層直接頂為粉砂巖，厚0～10.78 m，平均3.99 m，老頂為粉砂巖夾泥巖，局部含菱鐵質結核；8、9 煤層夾矸為泥巖和粉砂巖，厚0～3.68 m，平均夾矸厚度為0.59 m；工作面直接底為泥巖，厚0～6.33 m，平均3.48 m。Ⅲ811 綜放工作面煤層硬度系數f=0.16～0.53，全層極軟，總體表現為松散的狀態。

2 工程應用

2.1 注水參數

采用風鉆配合Φ42 mm、長1 m 的長螺旋鉆桿進行打眼。鉆孔布置應考慮煤層孔隙、透水性、工作面采高（2.5 m）及注水擴散半徑等因素，為了防止注入的壓力水從煤層頂板流出及滲入頂板裂隙中，鉆孔應在煤壁中上部呈近水平角度布置。實測Ⅲ811 工作面鉆孔距底板高2 m，傾角向上1～5°，鉆孔間距7.5 m，鉆孔深度10 m，布置在兩支架護幫板之間，為防止工作面兩端煤壁片幫，工作面兩個端頭各留5 m，不布置注水鉆孔。注水參數與注水孔布置示意圖分別如表1 和圖1 所示。

圖1 注水孔布置示意圖

表1 工作面注水參數

2.2 封孔裝備及工藝

煤層注水效果很大程度上取決于封孔效果，蘆嶺礦Ⅲ811 工作面采用自動膨脹式封孔器（如圖2）進行封孔作業，封孔器長度為1 000 mm。順利完成封孔作業達到預計效果應做到：

圖2 封孔器實物

（1）保證封孔器膨脹壓力不低于其開啟壓力，低于該壓力會引起噴嘴不出水，導致注水失敗。

（2）封孔器受壓力水作用后膨脹能緊貼注水孔，實現密封、不漏水。

2.3 注水效果

依據現場實測，蘆嶺煤礦Ⅲ811 工作面煤樣原始含水率較低，僅有0.9%，工作面開采初期，未采用孔底高壓煤壁注水時，煤體脆性大、抗剪強度低，多發生煤壁片幫現象，且多發生于煤壁中上部。生產時每班都需要進行大量支護作業，清理浮煤。采用孔底高壓煤壁注水后，工作面煤體含水率增加，相鄰注水孔中間的含水率增加到2.83%，煤體得到充分濕潤，高壓注水增加了煤體塑性和抗剪強度，提高了煤體整體穩定性（如圖3 所示），減少了煤壁片幫、冒頂次數，有效地控制了煤壁穩定性，同時也具有一定的降塵效果。

圖3 注水后煤壁情況

3 結論

（1）依據蘆嶺煤礦工作面煤層松散的實際情況，采用孔底注水，注水孔距離底板2 m，傾角向上1～5°，注水孔深度10 m，注水壓力為7.5 MPa，在不影響采煤機割煤、移架的情況下，注水孔布置在兩個支架護幫板的中間位置，即注水間距為7.5 m 時，且工作面兩端頭處各留5 m 不布置注水孔，在注水40 h（5 個檢修班）后，煤體注水后符合濕潤范圍要求。

（2）通過封孔器按照設計參數進行注水，煤層相鄰注水孔中間的原始含水率由0.9%增加到2.83%，實際觀測后煤壁減少了片幫、冒頂次數，有效地控制了煤壁穩定性，工程應用效果較好。