三軟煤層大采高綜采面煤壁片幫控制研究

趙 帥

(潞安集團(tuán) 李村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046600)

隨著工作面采高的不斷增大，隨之引起的煤壁片幫、端面冒頂事故也愈加嚴(yán)重[1]。李村煤礦所采3號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，但煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裂隙和節(jié)理發(fā)育[2]。從已經(jīng)回采完畢和正在回采的工作面情況來(lái)看， 3號(hào)煤層大采高開(kāi)采難度極大，特別是工作面煤壁片幫比較嚴(yán)重[3]。 煤壁片幫嚴(yán)重導(dǎo)致工作面強(qiáng)度低，兩幫在頂板壓力的作用下，產(chǎn)生更大范圍的破碎區(qū)[4]。同時(shí)，煤壁片幫會(huì)導(dǎo)致頂板暴露面積的進(jìn)一步增大，頂板暴露面積的增大會(huì)反過(guò)來(lái)作用于煤壁[5]，形成惡性循環(huán)。煤壁片幫對(duì)工作面的安全開(kāi)采構(gòu)成重大威脅。

本文通過(guò)對(duì)李村煤礦煤壁片幫主要影響因素的分析，據(jù)此提出相應(yīng)的治理煤壁片幫的措施和方法，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 工程概況

李村煤礦1305工作面井下埋深412.6～481.5 m，所采煤層為3號(hào)煤層，煤層厚度為4.3～5.5 m，平均4.9 m，采用大采高一次采全高采煤法，煤層普氏系數(shù)f介于0.5～1之間。煤層直接頂和直接底均為泥巖，平均厚度分別為0.88 m和0.58 m；老頂和老底分別為6.6 m厚的粉砂巖和2.9 m厚的砂質(zhì)泥巖。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，李村煤礦1305工作面煤壁片幫問(wèn)題嚴(yán)重，基本上每割一刀煤均有片幫發(fā)生。1305工作面片幫發(fā)生率為35.4%，平均深度1 150 mm，平均垂直高度1 550 mm，最大深度1 270 mm，最大垂直高度1 860 mm。

2 工作面煤壁片幫主要影響因素分析

1) 采高的影響。采高與采空區(qū)內(nèi)所形成的自由空間成正比，采高越高，自由空間越大。自由空間大的采空區(qū)，當(dāng)頂板垮落時(shí)，圍巖難以充滿自由空間，垮落的圍巖無(wú)法與頂板直接接觸，垮落巖石就無(wú)法分擔(dān)來(lái)自頂板的應(yīng)力，頂板壓力反而完全施加在煤壁上，造成煤壁片幫。

2) 支架工作阻力和初撐力的影響。李村煤礦1305工作面煤層軟，強(qiáng)度不高，單靠煤壁自身自載強(qiáng)度難以完全支撐來(lái)自頂板的壓力，如果支架阻力不滿足支護(hù)要求，不能分擔(dān)來(lái)自頂板的壓力，頂板壓力就會(huì)施加在煤壁上，導(dǎo)致本來(lái)已經(jīng)破碎的煤壁變得更加破碎，誘發(fā)煤壁片幫。

3) 煤體硬度、頂?shù)装逵捕鹊挠绊憽Ｃ罕趦?nèi)本來(lái)存在著大量節(jié)理裂隙，受工作面不斷開(kāi)采的影響，產(chǎn)生新的裂隙進(jìn)一步分割煤體，破壞深度不斷增加，煤壁的硬度進(jìn)一步降低。如果在這種情況下，支架與頂、底板接觸情況不佳，會(huì)導(dǎo)致煤壁邊緣處的應(yīng)力集中，在這種情況下極有可能發(fā)生片幫現(xiàn)象。

4) 工作面推進(jìn)速度的影響。工作面停采的時(shí)間越長(zhǎng)，隨著支承壓力不斷向深部轉(zhuǎn)移，頂板施加在煤壁上的壓力就會(huì)不斷增大，當(dāng)煤壁強(qiáng)度不足以支撐來(lái)自頂板的壓力時(shí)，煤壁的破壞程度隨著支撐壓力的深移而不斷加重。頂板下沉量也越大，對(duì)煤壁造成的破壞越嚴(yán)重，煤壁破壞嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致頂板進(jìn)一步下降，兩者形成惡性循環(huán)，最后導(dǎo)致煤壁徹底破碎，發(fā)生片幫。

5) 工作面推進(jìn)方向的影響。支承壓力的分布特征是影響煤壁破碎程度的重要原因。俯斜開(kāi)釆時(shí)，支承壓力峰值位于煤體的深部，而仰斜開(kāi)采時(shí)支承壓力峰值處于煤壁淺部位置，所以俯斜開(kāi)采時(shí)煤壁相對(duì)于仰斜開(kāi)采受到來(lái)自頂板的壓力作用較小，從而降低了煤壁發(fā)生片幫的幾率。

3 大采高綜采面煤壁片幫控制措施

通過(guò)以上分析，根據(jù)1305工作面的實(shí)際情況，提出以下控制措施。

1) 提高工作面推進(jìn)速度。工作面的推進(jìn)速度越快，支承壓力不斷向煤體深部前移，支承壓力對(duì)工作面煤壁影響范圍和時(shí)間減少，從而可以減小頂板壓力對(duì)煤壁的影響。

2) 提高煤體強(qiáng)度。如果工作面煤壁破碎程度嚴(yán)重，可采取對(duì)煤壁進(jìn)行恢復(fù)性加固，提高煤壁的自承能力。可以釆取以下措施。將化學(xué)漿液注入煤壁進(jìn)行加固，提高其整體強(qiáng)度，使煤壁發(fā)生片幫的概率大大降低；通過(guò)向煤壁前方打淺孔注入靜壓水，水能進(jìn)入破碎煤壁的細(xì)小裂隙中去，改善煤壁的力學(xué)性能，防止破碎圍巖區(qū)域的進(jìn)一步擴(kuò)大。

3) 提高支架初撐力和工作阻力。通過(guò)增加支架的初撐力和工作阻力，使支架與工作面頂板緊密接觸，使支架和煤壁共同承擔(dān)來(lái)自頂板的壓力。如果支架與頂板無(wú)法緊密接觸，則本應(yīng)由煤壁和支架共同承擔(dān)的壓力全部作用于煤壁，會(huì)導(dǎo)致頂板過(guò)度下沉、支架過(guò)早與頂板離層等問(wèn)題。

4) 采用合理的采高。工作面采高越高，兩幫圍巖破碎的程度也越高，發(fā)生片幫的幾率也越大。當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層等特殊地質(zhì)條件區(qū)域時(shí)，可以通過(guò)降低采煤高度，來(lái)減小煤壁片幫發(fā)生的概率。

4 超前注漿加固煤壁措施

4.1 注漿目的

針對(duì)李村煤礦1305工作面屬于三軟煤層的特點(diǎn)，煤體強(qiáng)度不高，為此采取了超前注漿加固的措施。注漿加固的目的是將漿液超前填充到煤壁破碎圍巖的離層和裂隙中，對(duì)已經(jīng)破碎的圍巖體進(jìn)行恢復(fù)性加固，重新膠結(jié)成具有高強(qiáng)度高剛度較高抵抗變形的完整整體，增加工作面圍巖的整體性，防止煤壁在工作面回采期間因頂板壓力過(guò)大發(fā)生破碎導(dǎo)致冒頂及片幫事故。

4.2 注漿材料及參數(shù)設(shè)計(jì)

1) 選用固瑞特向煤壁超前注漿。選用的注漿材料具有較強(qiáng)滲透性和較高結(jié)石體抗壓強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)完全滿足煤壁加固的需要。

2) 為了保證深孔注漿的效果，使?jié){液滲透到深部破碎的圍巖中，充分調(diào)動(dòng)煤壁的自承能力。故選用6～8 MPa為煤壁注漿壓力，瞬時(shí)壓力不超過(guò)12 MPa，防止因注漿壓力過(guò)高導(dǎo)致煤壁深部圍巖進(jìn)一步破碎，產(chǎn)生新的裂隙。

3) 為防止注漿孔之間漿液相互影響，宜采用分序間隔注漿以保證注漿效果和漿液的滲透性。

鉆孔布置及施工鉆孔參數(shù)見(jiàn)圖1和表1。

圖1 注漿孔布置

表1 注漿孔參數(shù)

4.3 注漿效果

通過(guò)對(duì)工作面的煤壁進(jìn)行超前注漿后，片幫現(xiàn)象基本得到有效控制，雖然小范圍內(nèi)還存在一些煤壁片幫現(xiàn)象，但對(duì)工作面的正常開(kāi)采已經(jīng)沒(méi)有影響。對(duì)比采用超前注漿前后煤壁片幫的頻次和深度，如圖2和圖3所示。

圖2 片幫頻次統(tǒng)計(jì)

圖3 片幫深度統(tǒng)計(jì)

由圖2和圖3可以看出，注漿前煤壁平均每天片幫次數(shù)25次，深度1 150 mm，注漿后次數(shù)為12次，深度640 mm，片幫次數(shù)減小了52%，深度減小了56%；注漿前工作面片幫最大次數(shù)為35次，日片幫最大深度為1 230 mm，注漿后工作面片幫最大次數(shù)僅14次，最大片幫深度為870 mm，治理后工作面的片幫次數(shù)和片幫深度相比未治理前分別減小了60%和30%。通過(guò)對(duì)工作面煤壁注漿后，不論是日最大片幫次數(shù)和最大片幫深度，還是平均片幫次數(shù)和深度均得到有效控制，保證了工作面的安全開(kāi)采，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 本已破碎的煤壁在頂板壓力的作用下，會(huì)產(chǎn)生更大范圍的破碎區(qū)，導(dǎo)致頂板暴露面積的進(jìn)一步增大，頂板暴露面積的增大會(huì)反過(guò)來(lái)作用于煤壁，使片幫區(qū)域進(jìn)一步增加，如不及時(shí)治理，便會(huì)形成惡性循環(huán)，對(duì)工作面的安全開(kāi)采構(gòu)成重大威脅。

2) 根據(jù)李村煤礦1305工作面的環(huán)境特點(diǎn)，選用固瑞特向煤壁超前注漿，漿液沿煤壁破碎的裂隙流動(dòng)膠結(jié)，將破碎的煤壁進(jìn)行恢復(fù)性加固，固結(jié)成一個(gè)新的整體，增強(qiáng)其抵抗頂板壓力的能力，改善了工作面的片幫情況。

3) 通過(guò)對(duì)比工作面治理前、后的片幫情況，治理后工作面片幫頻次和日片幫深度均值較之前大幅降低，片幫次數(shù)減小了52%，深度減小了56%，工作面的片幫情況得到改善。