大采高工作面煤壁片幫機(jī)理與末采注漿加固技術(shù)研究

郭 鵬

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 寺河礦，山西 晉城 048200)

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭一直是我國(guó)的主要消費(fèi)能源，雖然國(guó)家能源結(jié)構(gòu)有所調(diào)整，但以煤為主的能源現(xiàn)狀短期內(nèi)不會(huì)改變[1]。隨著煤炭開(kāi)采強(qiáng)度和需求量的不斷增加，我國(guó)煤炭重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)域向西北部轉(zhuǎn)移。有關(guān)資料顯示，在晉陜蒙以及新疆礦區(qū)存在大量的6.0～9.0 m的厚煤層，因該區(qū)域煤層賦存條件較好，適用于大采高一次采全厚采煤法。隨著采礦技術(shù)和裝備的發(fā)展進(jìn)步，大采高開(kāi)采方法和技術(shù)得到了快速發(fā)展。2009年，補(bǔ)連塔煤礦第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了采高7.0 m的綜采開(kāi)采；2018年，上灣煤礦8.8 m大采高工作面也得到了成功試驗(yàn)，成為世界第一高[2-3]。在大采高綜采工作面中，因其一次采出空間大，其頂板來(lái)壓狀況和圍巖變形破壞特征也愈加復(fù)雜，工作面極易出現(xiàn)冒頂、片幫現(xiàn)象。工作面煤壁的穩(wěn)定性是保障工作面安全回采的重要因素之一，通常來(lái)說(shuō)，煤壁穩(wěn)定性越高，其回采效率也越高。研究表明，煤壁的穩(wěn)定性與其力學(xué)特性、采面參數(shù)相關(guān)，針對(duì)煤壁片幫現(xiàn)象與防治技術(shù)，相關(guān)專家學(xué)者也進(jìn)行了大量研究，其中工作面注漿加固技術(shù)應(yīng)用功能最為廣泛[4-5]。本文以寺河礦6301大采高工作面為工程背景，通過(guò)分析大采高工作面煤壁片幫機(jī)理，開(kāi)發(fā)大采高末采注漿加固技術(shù)，為保證工作面快速回采提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

寺河礦6301工作面位于六盤(pán)區(qū)，開(kāi)采3號(hào)煤層，工作面北部為6302工作面，南部為井田邊界煤柱，北東方向?yàn)闁|六盤(pán)區(qū)膠帶巷，工作面走向和傾向長(zhǎng)度分別為1 466 m和296 m，開(kāi)采煤層平均厚度和傾角分別為6.0 m和5°。工作面采用大采高采煤方法，采高6.0 m。煤層呈黑色，屬半亮型(以亮煤為主)，結(jié)構(gòu)中等，屬堅(jiān)硬煤層。煤層存在0.60 m的偽頂，偽頂為灰黑色炭質(zhì)泥巖；直接頂為3.45 m厚的灰色粉砂巖，中厚層狀；基本頂為6.14 m厚的淺灰色細(xì)粒砂巖，厚層狀，層理均勻；直接底為2.71 m厚的深灰色粉砂巖，薄層狀，波狀層理；基本底為4.80 m厚的深灰色粉砂質(zhì)泥巖，薄層狀，波狀層理。由于采高較大，工作面末采期間推進(jìn)速度較緩慢，礦壓顯現(xiàn)更為明顯，易發(fā)生片幫冒頂事故。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，寺河礦3313工作面末采期間曾發(fā)生過(guò)冒頂?shù)辜苁鹿剩瑸榇?，?301工作面末采時(shí)期需采用一定的技術(shù)手段對(duì)工作面煤體進(jìn)行一定的加固。

2 大采高工作面煤壁片幫機(jī)理

回采時(shí)，隨著工作面推進(jìn)，偽頂和基本頂巖層一般隨采隨冒，基本頂巖層形成梁狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)巖層跨距達(dá)到極限時(shí)，基本頂巖層初次破斷，形成初期來(lái)壓，之后隨工作面推進(jìn)，基本頂巖層周期性破斷，形成周期來(lái)壓。在大采高工作面回采時(shí)，頂板回轉(zhuǎn)下沉對(duì)煤體產(chǎn)生剪切和拉伸力，即煤壁上分布垂直載荷形成拉伸力，同時(shí)其頂部受到的覆巖載荷形成剪切力，因采出空間較大，導(dǎo)致頂板形成的煤體產(chǎn)生剪切和拉伸力較大，煤壁上方頂板對(duì)煤壁形成一定的水平推力，促使煤體出現(xiàn)塑性變形，進(jìn)而形成煤壁片幫，因此大采高工作面煤壁片幫防治是保障工作面安全高效回采的關(guān)鍵因素。目前常見(jiàn)的大采高工作面煤壁片幫主要有：①壓剪破壞式片幫；②拉裂破壞式片幫；③滑落破壞式片幫。不同煤壁片幫形式，見(jiàn)圖1。

圖1 不同煤壁片幫形式

3 末采注漿加固技術(shù)

基于寺河礦6301大采高工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件和大采高煤壁片幫機(jī)理分析，提出末采注漿加固技術(shù)改善工作面末采時(shí)期煤壁片幫現(xiàn)象。

3.1 注漿孔施工參數(shù)

根據(jù)6301工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件設(shè)計(jì)注漿孔參數(shù)，設(shè)計(jì)注漿范圍40 m，共施工注漿孔28個(gè)，注漿孔布置在63011和63013巷，向工作面煤體施工注漿孔，注漿孔超前工作面100 m范圍開(kāi)始施工，超前50 m范圍開(kāi)始注漿，巷內(nèi)注漿孔設(shè)置兩排，呈三花眼布置，下排注漿孔距底板1.0 m，上排注漿孔距底板2.5 m，上下排注漿孔排距1.5 m，注漿孔間距2.5 m，每排注漿孔間距5.0 m，上排注漿孔以4°傾角方式施工80 m，下排注漿孔水平施工80 m，鉆孔直徑設(shè)計(jì)為75 mm，注漿長(zhǎng)度60 m，封孔長(zhǎng)度16 m，注漿孔布置見(jiàn)圖2。

圖2 注漿孔布置

3.2 注漿材料、壓力與設(shè)備

注漿材料選用聯(lián)邦加固I號(hào)，其中注漿區(qū)域采用單液注漿材料，封孔區(qū)域采用雙液注漿材料，其中，單液材料加水?dāng)嚢韬蠖虝r(shí)間(40 min)內(nèi)流動(dòng)性較好，時(shí)間超過(guò)2 h后流動(dòng)性明顯衰減，材料含有的超細(xì)水泥顆粒有利于破碎圍巖加固，材料在12 h內(nèi)凝固硬化，水灰比1.0的材料硬化強(qiáng)度在20 MPa以上，可滿足破碎煤壁加固要求，適用于深孔注漿。

由于現(xiàn)場(chǎng)工作面采高加大、推采速度快、鉆孔長(zhǎng)度深等因素導(dǎo)致對(duì)不同區(qū)域的注漿材料的流動(dòng)性、初凝終凝時(shí)間和強(qiáng)度要求不一，且較高。綜合考慮聯(lián)邦加固I號(hào)(單、雙液)注漿材料的流動(dòng)性能、硬化強(qiáng)度、初凝終凝時(shí)間等參數(shù)，確定注漿區(qū)域采用單液注漿材料，水灰比為0.6，注漿設(shè)備選用ZBYSB220/28-55型單液注漿泵，設(shè)計(jì)注漿壓力20～25 MPa，注漿時(shí)根據(jù)速率調(diào)整泵壓，正常情況下逐漸壓力需達(dá)到25 MPa，最低注漿壓力需達(dá)到20 MPa，封孔區(qū)域采用雙液注漿材料，水灰比為1.0，封孔設(shè)備選用2ZBQ50/19型雙液注漿泵。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

采用開(kāi)發(fā)的末采注漿加固技術(shù)應(yīng)用于寺河礦6301大采高工作面末采時(shí)期，經(jīng)統(tǒng)計(jì)寺河礦6301大采高工作面末采注漿共耗費(fèi)注漿材料51.0 t，平均每孔耗費(fèi)注漿材料2.83 t，單孔最大耗費(fèi)注漿材料4.88 t，末采工作面注漿加固后，有效控制了工作面煤壁片幫現(xiàn)象，在工作面末采和設(shè)備回撤期間煤壁完整性較好，保障了大采高工作面的高效回采，圖3為注漿加固前后的工作面現(xiàn)場(chǎng)。在注漿加固前，工作面出現(xiàn)嚴(yán)重的片幫垮落現(xiàn)象，垮落的煤體堆積在刮板上方，影響工作面回采，存在一定的安全隱患。注漿加固后，煤壁完整性較好、平整度較高，極大地減少了安全隱患，保障了工作面正常高效回采。

圖3 注漿孔布置