仰采綜放工作面煤壁片幫控制

梁 哲

(山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 047100)

隨著對(duì)仰采綜放工作面煤壁片幫控制技術(shù)研究的深入以及我國(guó)煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，仰采綜放工作面技術(shù)逐漸成為開采傾斜厚煤層的主要方向之一[1-2]. 以山西省長(zhǎng)治經(jīng)坊煤礦3602工作面為工程地質(zhì)背景，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn),通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析等手段，對(duì)仰采綜放工作面煤壁片幫技術(shù)進(jìn)行研究，以提高仰采綜放工作面圍巖控制效果。

1 工程地質(zhì)概況

位于山西省長(zhǎng)治市境內(nèi)的經(jīng)坊煤礦目前主要開采3#煤層，煤層平均厚度6.0 m，現(xiàn)開采的3602工作面沿走向長(zhǎng)為1 600 m，沿傾向?qū)挒?00 m. 3602工作面內(nèi)存在一褶曲地質(zhì)構(gòu)造帶，造成了3602工作面綜放回采期間存在仰斜開采的情形，仰斜傾角為10°～14°. 3602工作面平、剖面布置情況見圖1.

圖1 3602工作面平、剖面示意圖

3602工作面開采至仰采大傾角段時(shí)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)進(jìn)行觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)得知，3602工作面煤壁時(shí)常有片幫情況發(fā)生，且片幫位置主要發(fā)生于煤壁的上部分，占總體片幫事故的46.6%. 基于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)得知，導(dǎo)致3602工作面在仰采大傾角段頻繁發(fā)生片幫事故的誘發(fā)因素主要有：1) 3602工作面回采期間受到較大的超前支承應(yīng)力影響而煤壁內(nèi)煤體的應(yīng)力環(huán)境較差，煤體較為破碎且裂隙發(fā)育程度較高。2) 仰采大傾角段煤層傾角高達(dá)13°～14°，煤壁內(nèi)煤體受到自身重力的分量作用而促進(jìn)了煤壁片幫發(fā)生的可能性。3) 仰采大傾角段工作面割煤后液壓支架難以及時(shí)隨采而跟進(jìn)，造成了煤壁前方存在較大的空頂距，且煤壁無(wú)法受到護(hù)幫板的及時(shí)掩護(hù)作用。

2 仰斜開采煤壁破壞機(jī)理分析

對(duì)于工作面采用仰斜開采方法的典型礦井進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，其工作面內(nèi)煤壁片幫主要以小范圍片幫為主，大面積整體片幫發(fā)生的情況甚少。工作面內(nèi)煤壁小范圍片幫的誘導(dǎo)因素主要為煤壁內(nèi)煤體的自重作用和上覆頂板的壓應(yīng)力作用，最終導(dǎo)致了煤壁發(fā)生拉裂破壞(主要以硬煤為主)或者剪切破壞(主要以軟煤為主)礦壓顯現(xiàn)。

2.1 煤壁拉裂破壞

煤壁拉裂破壞主要發(fā)生于脆性硬煤條件下，此類煤體在上覆頂板的壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生了向著煤壁自由面的橫向拉應(yīng)力，受限于此類煤體容許變形量較小，無(wú)法通過煤體自身的大變形對(duì)橫向拉應(yīng)力進(jìn)行釋放或者緩解，進(jìn)而導(dǎo)致煤體向著煤壁自由面的拉裂破壞，并伴有強(qiáng)烈的破裂聲響。其具體的拉裂破壞形式見圖2.

圖2 仰斜開采煤壁拉裂破壞形式圖

圖2所示仰斜開采煤壁拉裂破壞準(zhǔn)則為：

(1)

式中，Rc為煤壁內(nèi)煤體抗拉強(qiáng)度，MPa；k為應(yīng)力修正系數(shù)；P為上覆頂板壓應(yīng)力，MPa；H為工作面煤壁開采高度，m.

由式(1)可知，在上覆頂板壓力不變的情況下，隨著工作面煤壁開采高度的增加，煤壁內(nèi)煤體易滿足拉裂破壞準(zhǔn)則而發(fā)生拉裂，可見工作面煤壁開采高度對(duì)于煤壁的穩(wěn)定性影響較大。

2.2 煤壁剪切破壞

煤壁剪切破壞主要發(fā)生于軟煤條件下，此類煤體在上覆頂板的壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生了向著煤壁自由面的橫向拉應(yīng)力，但由于軟煤可以通過煤體自身的大變形對(duì)橫向拉應(yīng)力進(jìn)行釋放或者緩解，進(jìn)而導(dǎo)致煤體所受剪切應(yīng)力大于抗剪強(qiáng)度而發(fā)生剪切滑動(dòng)破壞。其具體的剪切破壞形式見圖3.

圖3 仰斜開采煤壁剪切破壞形式圖

圖3所示仰斜開采煤壁剪切破壞準(zhǔn)則為：

G=D-S≤0

(2)

式中，G為安全余量值，kN；D為沿著剪切面的抗剪力，kN；S為沿著剪切面的滑動(dòng)力，kN.

基于摩爾-庫(kù)倫理論可以計(jì)算得到安全余量的具體表達(dá)式，如下所示：

G=Chsecα+(qhsinθ+h2γ/2)·B

(3)

B=sin(α-θ)tanφ-cos(α-θ)

(4)

式中，C為煤體黏聚力，MPa；φ為煤體內(nèi)摩擦角，(°)；h為剪切面破壞高度，m；q為上覆頂板均布載荷，MPa；γ為煤體容重，kN/m3；α為剪切面與煤壁的夾角，(°)；θ為煤層傾角，(°).

由式(4)可知，隨著煤層傾角的增大，B值相應(yīng)的減少，當(dāng)煤層傾角大于某一臨界值時(shí)，此時(shí)存在B<0的情況，進(jìn)而導(dǎo)致式(3)也小于0，即安全余量值也小于0而發(fā)生煤壁剪切破壞。

3 仰斜開采煤壁加固研究

對(duì)煤壁內(nèi)煤體注入按照一定配比研制的化學(xué)漿液材料，使得該化學(xué)漿液材料很好地?cái)U(kuò)散充填于煤壁內(nèi)煤體的裂縫中，進(jìn)而將原本裂隙發(fā)育程度較高的煤體黏合到一起，在增強(qiáng)煤體完整性的同時(shí)提高煤體的力學(xué)性能參數(shù)，此方法即為注漿加固技術(shù)[3-4]. 由于工作面煤壁內(nèi)煤體受到超前支承應(yīng)力影響而較為破碎，因此采用注漿加固技術(shù)能夠很好地提高煤壁內(nèi)煤體的完整程度，進(jìn)而降低仰斜開采期間煤壁發(fā)生拉裂破壞、剪切破壞等片幫礦壓顯現(xiàn)的可能性。

3.1 注漿加固參數(shù)取值

經(jīng)坊煤礦3602工作面可選用強(qiáng)度較高、時(shí)間可調(diào)、具有膨脹性的波雷因PN-1材料為注漿原材料，該注漿原材料使用時(shí)由A和B兩種不同的化學(xué)漿液按照一定的配比混合制作而成。關(guān)于3602工作面注漿加固參數(shù)的確定，首先垂直于工作面煤壁施打注漿鉆孔，鉆孔直徑范圍取值60～80 mm即可，鉆孔深度取值6.0 m. 鉆孔注漿壓力根據(jù)工作面煤壁內(nèi)煤體破碎情況和上覆頂板壓應(yīng)力大小設(shè)計(jì)為4.0～6.0 MPa. 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用期間，要確保注入煤壁內(nèi)煤體中的化學(xué)漿液?jiǎn)慰子行U(kuò)散半徑不小于2.5 m. 初步概算得知,每個(gè)注漿孔注入化學(xué)漿液的質(zhì)量為250 kg左右，采用布袋進(jìn)行孔口的封堵。

3.2 注漿加固方案確定

1) 超前兩巷注漿加固方案。

在3602工作面超前煤壁的兩側(cè)平巷內(nèi)向工作面實(shí)體煤側(cè)施打順層注漿鉆孔，鉆孔距離巷道頂板1.5 m，鉆孔間距3.0 m，鉆孔直徑取值60～80 mm，鉆孔深度為60 m，鉆孔與平巷之間的夾角為60°. 工作面兩側(cè)平巷內(nèi)注漿鉆孔的具體布置形式見圖4.

圖4 超前煤壁兩側(cè)平巷內(nèi)注漿鉆孔布置示意圖

2) 工作面注漿加固方案。

在工作面內(nèi)每間隔2.0 m向垂直煤壁方向施打一組注漿鉆孔，每組注漿鉆孔由一個(gè)高位孔和一個(gè)低位孔組成，其中高位孔和低位孔開孔位置均距離巷道頂板1.5 m，低位孔的上仰角為10°～15°，孔深6.0 m，高位孔的上仰角為30°～40°，孔深4.5 m. 工作面內(nèi)注漿鉆孔的具體布置形式見圖5.

圖5 工作面內(nèi)注漿鉆孔布置示意圖

3.3 煤壁片幫治理效果分析

基于上述注漿加固方案對(duì)3602仰采工作面進(jìn)行注漿加固后，垂直于工作面方向?qū)γ罕谑┐蜚@孔，使用YS(B)型礦用電子鉆孔窺視儀對(duì)工作面煤壁進(jìn)行窺視，窺視結(jié)果見圖6.

圖6 工作面煤壁注漿加固后鉆孔窺視圖

由圖6可知，工作面煤壁內(nèi)不同深度煤體處的裂縫中均被注漿材料較好的充填，進(jìn)而將原本裂隙發(fā)育程度較高的煤體黏合到一起，在增強(qiáng)煤壁完整性的同時(shí)提高了工作面煤壁前方煤體的承載能力。同時(shí)煤壁片幫的深度、頻次顯著降低。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得知，采取注漿加固措施后，工作面煤壁片幫的最大深度不超過0.25 m，這對(duì)于工作面的安全回采影響甚微。

采取注漿加固措施后工作面的推進(jìn)速度顯著提高，由原來(lái)的每天推進(jìn)1.6 m提升至目前的每天推進(jìn)2.4 m，且減少了耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間去處理片幫、漏頂?shù)入y題，每月煤炭生產(chǎn)產(chǎn)量增加約3.5萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4 工作面圍巖其它控制技術(shù)

1) 控制工作面開采高度。

3602工作面主采3#煤層平均厚度6.0 m，所選用的液壓支架型號(hào)為ZY4800/25/50，其所允許的最大支撐高度為4.8 m. 工作面開采高度進(jìn)一步增加，將會(huì)超過液壓支架頂梁的有效接頂范圍，影響工作面內(nèi)液壓支架的初撐力，導(dǎo)致初撐力不足，工作面頂板煤巖體變形量過大，增加頂板垮冒的可能性。同時(shí)，當(dāng)工作面回采推進(jìn)至大傾角仰斜段，較高的開采高度會(huì)使液壓支架的受力環(huán)境更加復(fù)雜，不利于液壓支架控制工作面煤壁的穩(wěn)定性，造成片幫事故。因此，在3602工作面仰采段將采高控制在3.0 m左右，由式(1)可知，在上覆頂板壓力不變的情況下，隨著工作面煤壁開采高度的減小，煤壁內(nèi)煤體將不易發(fā)生拉裂，可見工作面煤壁開采高度的減小能夠使3602工作面仰采期間煤壁更加穩(wěn)定，減少片幫事故的發(fā)生。

2) 加快工作面推進(jìn)速度。

結(jié)合相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，加快工作面的推進(jìn)速度能夠大幅度減小液壓支架對(duì)于工作面圍巖的支護(hù)作用時(shí)間，緩和工作面圍巖的蠕變量，降低煤壁發(fā)生片幫的可能性。3602工作面仰采期間要保證工作面每天至少割3刀煤，每刀進(jìn)尺0.8 m，日回采推進(jìn)距離不小于2.4 m，有條件的情況下可以進(jìn)一步增加日回采推進(jìn)距離。

3) 帶壓移架并增加初撐力。

對(duì)于回采工作面內(nèi)的液壓支架，及時(shí)的帶壓移架并增加初撐力，能夠使液壓支架與工作面圍巖的耦合效應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化，從而降低工作面煤壁發(fā)生片幫的可能性。開始采用液壓支架支護(hù)工作面圍巖時(shí)，液壓支架的初撐力必須達(dá)到其額定工作阻力的80%，當(dāng)液壓支架升架后，其初撐力必須達(dá)到其額定工作阻力的100%，直到液壓支架接頂后，依舊輸送乳化液3～5 s.

4) 護(hù)幫板掩護(hù)下開釆。

工作面內(nèi)的液壓支架通過護(hù)幫板對(duì)煤壁施加約束力，約束3602工作面仰采期間煤壁向自由空間變形移動(dòng)，避免煤壁內(nèi)煤體因拉裂破壞而發(fā)生片幫事故?，F(xiàn)場(chǎng)具體操作順序?yàn)椋寒?dāng)采煤機(jī)切割煤壁內(nèi)煤體并移架后，液壓支架上的護(hù)幫板緊跟著采煤機(jī)的前進(jìn)而及時(shí)打開支護(hù)于煤壁上，使得工作面煤壁始終處于護(hù)幫板的約束作用下，避免煤壁發(fā)生長(zhǎng)距離大規(guī)模的連續(xù)片幫現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

1) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件通過理論分析得出導(dǎo)致工作面發(fā)生片幫的3個(gè)主要原因?yàn)椋撼爸С袘?yīng)力集中過大，導(dǎo)致煤壁前方煤體應(yīng)力環(huán)境較差；仰采段的平均仰采角度較大，煤壁在自身重力影響下增加了煤壁片幫的可能性；工作面支架難以及時(shí)跟進(jìn)，造成頂板長(zhǎng)時(shí)間處于無(wú)支護(hù)或支護(hù)強(qiáng)度不夠的狀態(tài)，易導(dǎo)致頂板冒頂和加劇煤壁片幫。

2) 通過對(duì)仰斜開采煤壁破壞機(jī)理分析可知，受煤壁內(nèi)煤體的自重作用和上覆頂板的壓應(yīng)力作用，煤壁發(fā)生拉裂破壞(主要以硬煤為主)或者剪切破壞(主要以軟煤為主)礦壓顯現(xiàn)。

3) 采用加固注漿材料波雷因PN-1對(duì)超前工作面兩巷煤壁和工作面煤壁進(jìn)行加固，現(xiàn)場(chǎng)通過使用鉆孔窺視儀對(duì)煤壁內(nèi)煤體注漿效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)。針對(duì)性地設(shè)計(jì)了控制開采高度、加快工作面推進(jìn)速度、及時(shí)帶壓移架和提高護(hù)幫板的使用效率等補(bǔ)強(qiáng)控制工作面圍巖措施。