大采高仰采工作面煤壁片幫控制技術(shù)研究

馬吉義

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 王莊煤業(yè)，山西 長(zhǎng)治 047100)

在我國(guó)，大采高一次采全高工藝已經(jīng)成為了各大礦區(qū)主要的開(kāi)采工藝。大量實(shí)踐表明，大采高工作面在實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效的同時(shí)，也出現(xiàn)了如礦壓顯現(xiàn)劇烈、煤壁片幫嚴(yán)重、運(yùn)輸機(jī)上竄下移嚴(yán)重、支架倒架等問(wèn)題[1-2]。尤其對(duì)于仰采工作面，煤壁片幫更加嚴(yán)重，導(dǎo)致支架前梁接頂不嚴(yán)，易造成冒頂；片幫煤飛出運(yùn)輸機(jī)，易造成人員傷害,給礦井安全開(kāi)采帶來(lái)極大的隱患[3-4]。本文以王莊煤業(yè)3505大采高仰采工作面片幫治理為背景，通過(guò)分析工作面片幫原因，制定科學(xué)的防治措施，以保證礦井安全高效開(kāi)采。

1 工程概況

王莊煤業(yè)位于山西長(zhǎng)治市，主要開(kāi)采3號(hào)煤層，其中3505工作面位于3號(hào)煤層35采區(qū)，煤層平均厚度4.85 m，，屬松軟厚煤層，煤層普氏系數(shù)f=0.7，煤層傾角1～11°，工作面形狀為“刀把子”，工作面1號(hào)切眼段367.5 m，2號(hào)切眼段360.5 m，推進(jìn)長(zhǎng)度2 016.04 m。為仰斜開(kāi)采，工作面布置216臺(tái)ZY10000/26/55D液壓支架。直接頂為泥巖，平均厚度2.75 m，基本頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度6.00 m，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度3.60 m。工作面回采過(guò)程中發(fā)生不同程度片幫，尤其在來(lái)壓期間，常常出現(xiàn)大面積片幫現(xiàn)象，片幫深度500～2 000 mm，個(gè)別支架前出現(xiàn)了冒頂現(xiàn)象，直接影響到了工作面安全生產(chǎn)。

2 煤壁片幫機(jī)理

隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂板發(fā)生周期性垮落，當(dāng)頂板發(fā)生彎曲變形，打破了工作面前方煤體內(nèi)的應(yīng)力平衡，尤其頂板臨近斷裂極限時(shí)，在煤體內(nèi)部產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，集中的應(yīng)力將產(chǎn)生能量集聚，當(dāng)能量集聚到一定程度時(shí)，發(fā)生釋放，造成工作面片幫、炸幫。煤壁片幫形式大致分為3種，見(jiàn)圖1[5]。當(dāng)工作面前方煤體內(nèi)部產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力超過(guò)自身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，工作面發(fā)生圖1(a)垮落式片幫；當(dāng)工作面煤壁產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力超過(guò)煤體抗拉強(qiáng)度時(shí)，工作面發(fā)生圖1(b)鼓出式片幫；當(dāng)工作面煤體內(nèi)剪應(yīng)力大于自身抗剪強(qiáng)度時(shí)，工作面發(fā)生圖1(c)滑落式片幫。由于王莊煤業(yè)3號(hào)煤層屬于松軟煤層，抗剪強(qiáng)度較低，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，3505工作面的片幫為滑落式片幫，煤壁破壞主要為剪切破壞，煤壁上部區(qū)域易發(fā)生片幫。

圖1 煤壁破壞示意

對(duì)于3505工作面而言，仰采無(wú)疑是造成工作面片幫嚴(yán)重的又一原因。在工作面回采過(guò)程中，由于仰采角度大，造成液壓支架不能有效接頂，會(huì)造成煤壁前方一定范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間空頂，不能及時(shí)有效支護(hù)，在頂板壓力及自身重力影響下，極易發(fā)生片幫。

3 煤壁片幫注漿加固技術(shù)

3.1 注漿加固原理

注漿加固技術(shù)是當(dāng)前治理煤壁片幫最常用的技術(shù)之一。通過(guò)對(duì)工作面前方煤體注入注漿材料，一方面利用注漿材料的粘結(jié)性能，將受到采動(dòng)影響下破碎煤體內(nèi)部裂隙重新膠結(jié)，增大巖體內(nèi)部塊間相對(duì)位移的阻力,形成承載結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)煤體的強(qiáng)度；另一方面注入的漿體材料在煤體內(nèi)部形成一定的結(jié)構(gòu)，對(duì)煤體起到了一定的錨固作用，可以在一定程度上降低工作面煤壁片幫深度。

3.2 注漿鉆孔布置

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)及鉆孔條件，距離底板1.5 m的位置布置1排注漿鉆孔，距離頂板1.5 m的位置布置1排注漿鉆孔，兩排注漿鉆孔按三花布置。注漿孔孔徑42 mm，鉆孔孔深8 m，注漿孔的仰角為15°，封孔深度為2 m。(現(xiàn)場(chǎng)注漿時(shí)，注漿孔的具體位置及注漿孔的參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整)。工作面注漿孔布置如圖2所示。注漿孔外面接注射管，再接封孔器，里面接花管。因煤層裂隙非常發(fā)育，單孔注漿量較大，暫定每孔注漿量在120桶左右。

3.3 注漿材料

本次注漿使用化學(xué)加固材料馬麗散NS對(duì)煤層進(jìn)行預(yù)注漿加固，漿液在普通裂隙開(kāi)度和孔隙率下的擴(kuò)散半徑為1～1.5 m，開(kāi)始注漿到漿液完全擴(kuò)散或滲透到被注載體中所需要的時(shí)間一般為10～20 min，注漿時(shí)最大注漿壓力可達(dá)17～20 MPa，完全可以滿足注漿提升煤體強(qiáng)度及完整性的目的。

圖2 工作面注漿孔布置示意

3.4 注漿工藝

注漿設(shè)備及注漿工藝如圖3所示，將樹(shù)脂和催化劑兩種材料按照1∶1吸入氣動(dòng)注漿泵中，由ZQBS-8.4/12.5注漿泵產(chǎn)生高壓分別將兩種材料通過(guò)高壓膠管送入專(zhuān)用注射槍?zhuān)⒃谧⑸錁寖?nèi)實(shí)現(xiàn)混合后注入煤體中，最后進(jìn)行封孔。在一個(gè)循環(huán)注漿完畢后，工作面推進(jìn)距離不能超過(guò)5 m，需進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的注漿，直至工作面煤壁和頂板轉(zhuǎn)好，工作面正常推進(jìn)。

圖3 注漿工藝

3.5 其他輔助措施

1) 保證支架支護(hù)質(zhì)量，保證支架端面距達(dá)到規(guī)定值，拉架完成后及時(shí)升緊支架，確保支架達(dá)到規(guī)定初撐力，及時(shí)打出護(hù)幫板。

2) 提高工作面推進(jìn)速度，尤其工作面來(lái)壓過(guò)程中，提高甩壓速度，最大程度減少壓力持續(xù)時(shí)間。

4 片幫治理效果分析

為了分析注漿治理工作面片幫效果，特對(duì)注漿前后在來(lái)壓期間煤壁片幫最大深度及片幫深度超過(guò)500 mm的頻率進(jìn)行了分析，如圖4、圖5所示。 由圖4可知注漿前來(lái)壓期間煤壁片幫最大深度達(dá)1 080 mm，明顯要大于注漿后的787 mm，而且注漿前片幫深度較大，充分說(shuō)明3505工作面來(lái)壓期間煤壁片幫嚴(yán)重，在實(shí)施注漿加固措施后，片幫深度明顯降低。由圖5可以看出，在注漿之后周期來(lái)壓期間片幫深度超過(guò)500 mm的頻率明顯低于注漿前，煤壁片幫治理效果顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)工作面煤壁片幫機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)片幫形態(tài)，確定3505工作面煤壁片幫屬于滑落式片幫，其形成的破壞主要為剪切破壞，破壞易出現(xiàn)在上部區(qū)域。

2) 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用了注漿加固對(duì)煤壁片幫進(jìn)行治理，并對(duì)鉆孔布置、注漿材料、注漿工藝等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

3) 通過(guò)對(duì)注漿前后周期來(lái)壓期間片幫最大深度及超過(guò)500 mm的頻率分析，注漿加固對(duì)于工作面片幫治理效果顯著。