5105工作面煤壁破壞機(jī)理及注水防片幫技術(shù)研究

黃 偉

（山西陽(yáng)煤集團(tuán)碾溝煤業(yè)有限公司，山西 清徐 030400）

1 工程概況

陽(yáng)煤集團(tuán)碾溝煤業(yè)公司5105工作面位于+905水平、一采區(qū)，主采5#煤層。煤層厚度分為三部分，下部有厚度為1.65m的煤，中部含有一層均厚為1m左右的夾石層，夾石層上部有厚度為0.4m的煤。煤層均厚為3.05m，傾角為3～9°，平均為6°，一般含1層夾石，煤層硬度系數(shù)為1.0～1.5，可采指數(shù)1。煤層頂?shù)装鍘r層情況如表1所示。5105工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式一次采全高的采煤工藝，確定采高為3m，循環(huán)進(jìn)度為0.8m，工作面地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，煤層較為松軟破碎。在工作面回采過程中出現(xiàn)煤壁片幫及頂板冒頂?shù)那闆r，嚴(yán)重影響工作面的安全生產(chǎn)，急需采取有效措施保證煤壁的穩(wěn)定性。

表1 5#煤層頂?shù)装逄卣鞅?/p>

2 煤壁破壞機(jī)理分析

綜采工作面的回采作業(yè)會(huì)打破煤體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，造成采場(chǎng)周圍的應(yīng)力重新分布，工作面回采前方煤體會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在超前支承應(yīng)力的作用下前方煤壁易出現(xiàn)破壞失穩(wěn)現(xiàn)象。當(dāng)工作面基本頂處于周期來壓期間時(shí)，由于基本頂?shù)钠茐呐c回轉(zhuǎn)下沉?xí)?duì)工作面形成一定的沖擊作用，會(huì)進(jìn)一步加大作用到液壓支架和煤壁上的壓力。另外根據(jù)大量工程實(shí)踐表明[1-2]，煤壁片幫的高峰期基本發(fā)生在基本頂周期來壓期間，故可知煤壁發(fā)生破壞的根本原因?yàn)楣ぷ髅婊卷斊茢嗷剞D(zhuǎn)對(duì)煤壁的沖擊作用和上覆巖層對(duì)煤壁的載荷作用。

煤層上覆基本頂巖層在周期來壓階段會(huì)形成砌體梁的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的形成會(huì)使得煤層基本頂巖層有向采空區(qū)方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，工作面煤壁的上方在直接頂壓力的作用下，使得煤壁處于壓縮變形的狀態(tài)，另外由于松軟煤體自身存在著松弛、蠕變等流變效應(yīng)，會(huì)使得工作面煤壁煤體沿著豎直方向發(fā)生彎曲變形。當(dāng)煤壁的彎曲變形程度過大時(shí)，煤壁煤體便會(huì)在煤壁中上部的位置處發(fā)生失穩(wěn)破壞現(xiàn)象，具體松軟煤層煤壁彎曲變形的特征如圖1所示。由此可知松軟煤層在頂板壓力和剪切應(yīng)力的作用下，煤壁基本會(huì)先發(fā)生彎曲變形，隨后在壓力的持續(xù)作用下出現(xiàn)破裂失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致煤壁出現(xiàn)剪切滑動(dòng)、煤壁發(fā)生片幫、頂板出現(xiàn)冒落。

圖1 松軟煤體煤壁變形破壞示意圖

3 煤壁注水防片幫技術(shù)

3.1 注水防片幫機(jī)理

針對(duì)松軟煤層，采用煤壁注水的方法，在煤壁上按照一定的角度施工一系列的注水鉆孔，進(jìn)行淺部注水作業(yè)。當(dāng)水在壓力下進(jìn)入到工作面煤壁內(nèi)時(shí)，壓力水會(huì)沿著煤壁前方煤體中的原生裂隙與次生裂隙逐漸擴(kuò)散，當(dāng)煤壁前方一定范圍內(nèi)煤體內(nèi)的微孔隙被水充滿時(shí)，即代表著煤體的含水率達(dá)到了飽和狀態(tài)。存在于煤體內(nèi)的水分子之間會(huì)相互吸引，形成膠結(jié)，使得煤壁前方塑性區(qū)范圍的煤體均被水濕潤(rùn)，將煤體與頂板之間形成有效的粘接。具體注水前后工作面煤體超前支撐壓力的曲線如圖2所示。煤壁注水后會(huì)有效控制煤壁前方一定范圍內(nèi)煤體的塑性不會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)大[3-4]，同時(shí)降低煤體的脆性，以此控制煤壁片幫情況的出現(xiàn)[3]。

3.2 注水方案設(shè)計(jì)

基于上述對(duì)松軟煤層煤壁片幫機(jī)理及煤壁注水機(jī)理的分析，結(jié)合5105綜采工作面的具體情況進(jìn)行煤壁注水作業(yè)的具體設(shè)計(jì)，具體注水作業(yè)的各項(xiàng)參數(shù)如下。

（1）注水孔參數(shù)

①注水孔深度。通過相關(guān)公式的理論計(jì)算能夠得出5105綜采工作面塑性區(qū)的發(fā)育寬度為5.29m，為充分保證工作面煤壁在注水后能夠形成一定厚度和強(qiáng)度的粘結(jié)層，需使得注水孔的深度大于5.29m，基于此設(shè)計(jì)注水孔的深度為6m。

②注水孔位置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)果可知煤失穩(wěn)的高度約在2.5m的位置處，基于此設(shè)計(jì)注水孔位置在距離底板2.0～2.1m的位置處。

③注水孔間距。根據(jù)水與煤體間的濕潤(rùn)方式，在設(shè)計(jì)注水孔的間距時(shí)應(yīng)使間距小于濕潤(rùn)半徑，水與煤體間的濕潤(rùn)方式存在不重復(fù)濕潤(rùn)和重復(fù)濕潤(rùn)兩種形式，具體如圖3所示。

圖2 工作面煤壁注水前后支支撐壓力對(duì)比曲線

圖3 水與煤體的濕潤(rùn)方式

通過具體分析圖3可知，當(dāng)水與煤體間的濕潤(rùn)方式為不重復(fù)濕潤(rùn)時(shí)，隨著與注水孔之間距離的增大，注水壓力在不斷減小，此時(shí)如果注水壓力控制不當(dāng)?shù)脑挘赡苤率箖勺⑺组g存在著未被濕潤(rùn)的區(qū)域。故本次在進(jìn)行5105工作面注水孔設(shè)計(jì)時(shí)，選擇水與煤體重復(fù)濕潤(rùn)的方式，此時(shí)注水孔間距依據(jù)下述公式計(jì)算：

式中：

S-注水孔的間距，m；

R-水的濕潤(rùn)半徑，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為4m；

a-兩注水孔間重復(fù)濕潤(rùn)的部分，根據(jù)5105工作面的具體情況，取為2R/3。

基于上述數(shù)據(jù)能夠計(jì)算得出注水孔的間距為5.33m，最終確定注水孔間距5m。

④注水鉆孔傾角。根據(jù)5105工作面的具體情況，確定注水鉆孔的傾角為1～3°。

基于上述各項(xiàng)注水孔的參數(shù)，5105工作面煤壁注水孔的布置方式如圖4所示。

圖4 工作面煤壁注水鉆孔布置示意圖

（2）注水壓力

工作面煤壁合理注水壓力的上限值需不能致使煤體及頂?shù)装鍘r層進(jìn)一步破壞，注水壓力的下限值需能夠保障在一定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到合理的注水量。根據(jù)眾多工程實(shí)踐與理論研究，工作面合理的注水壓力在以下范圍內(nèi)：

式中：

P-注水壓力，MPa；

Pg-煤層中氣體的壓力，主要為瓦斯壓力，取為2.5MPa；

Pv-工作面上覆巖層的壓力，取為10250kN?；谏鲜鰯?shù)據(jù)能夠計(jì)算出合理的注水壓力在5～8.2MPa之間。

（3）單孔注水流量及時(shí)間

根據(jù)眾多理論研究與工程實(shí)踐可知，單孔流量及單孔注水時(shí)間的表達(dá)式為

式中：

Q-單孔注水流量，m3；

t-單孔注水時(shí)間，h；

ρ-煤的體積質(zhì)量，取為1.4t/m3；

L-注水孔的深度，取為6m；

M-煤層的厚度，取為3.0m；

S-注水孔的間距，取為5.33m；

ηΔ-煤體含水率的增加值，取為1.59%；

q-注水設(shè)備的流量，取為5m3/h。

基于上述數(shù)據(jù)能夠計(jì)算得出合理的單孔注水流量為1.78m3，單孔注水時(shí)間為0.36h。

（4）煤壁注水工藝

在進(jìn)行注水作業(yè)時(shí)，施工工藝流程如下：

①在設(shè)計(jì)位置打設(shè)注水鉆孔，孔徑Φ42mm，鉆孔深度6m，傾角1～2°。具體鉆孔參數(shù)如圖4所示。

②安裝注水軟管，將注水軟管放入鉆好的鉆孔內(nèi)。

③對(duì)注水鉆孔進(jìn)行封孔，封孔采用自動(dòng)膨脹式封孔器，設(shè)置封孔長(zhǎng)度為1000mm，封孔器膨脹壓力為 5～8MPa。

④進(jìn)行單孔注水作業(yè)，單孔注水量及注水時(shí)間均滿足要求時(shí)，停泵，卸壓，拆除注水管線，依次進(jìn)行下一鉆孔注水作業(yè)。

3.3 效果分析

為有效驗(yàn)證工作面注水效果，在注水作業(yè)前分別對(duì)工作面上部、中部及下部區(qū)域的煤樣進(jìn)行取樣，測(cè)得不同區(qū)域煤體含水率分別為3.96%、3.987%和4.71%。在工作面注水作業(yè)完成后再次對(duì)工作面上中下三個(gè)區(qū)域各取3個(gè)煤樣，測(cè)定煤樣的含水率，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 5105工作面煤樣含水率測(cè)試結(jié)果

通過具體分析圖5可知，工作面上部、中部區(qū)域的含水率與下部區(qū)域煤體的含水率相比較低。工作面上部煤體的含水率由注水前的3.96%升高到4.53%，中部區(qū)域的含水率由注水前的3.87%升高到4.76%，下部的含水率由注水前的4.71%升高到5.34%。注水作業(yè)后，工作面上部、中部及下部煤體的含水率分別增長(zhǎng)了14.39%、22.99%和13.38%，工作面煤壁整體的含水量升高至4.51%，據(jù)此可知注水效果顯著。

5105工作面采用煤壁注水技術(shù)后，回采過程中煤壁片幫的頻率降低了約75%，煤壁平均片幫深度及長(zhǎng)度分別減小35%和50%。工作面煤壁預(yù)注水技術(shù)的實(shí)施，有效地控制了煤壁的片幫，保障了回采過程中煤壁的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

通過對(duì)松軟煤層煤壁破壞機(jī)理的具體分析，結(jié)合工作面煤壁注水防片幫技術(shù)的原理，決定對(duì)工作面煤壁采用注水防片幫技術(shù)來提高煤壁的穩(wěn)定性。結(jié)合5105工作面的具體地質(zhì)條件，采用理論分析的方式確定煤壁注漿防片幫技術(shù)的各項(xiàng)參數(shù)，在5105工作面煤壁采用注水防片幫技術(shù)后，工作面回采期間煤壁片幫頻率減小75%，基本無片幫現(xiàn)象出現(xiàn)，為工作面安全高效回采提供了保障。