大采高工作面煤壁片幫防治技術(shù)研究

高曉彬

（山西焦煤西山煤電晉興能源公司斜溝煤礦，山西 興縣 033699）

隨著礦井開(kāi)采煤層賦存條件的惡化，采煤工作面煤壁以及頂板冒落等事故發(fā)生頻率呈增加趨勢(shì)[1]。某礦現(xiàn)階段開(kāi)采的7號(hào)煤層賦存較為穩(wěn)定，但是地質(zhì)條件較為復(fù)雜、煤體硬度較高、裂隙以及節(jié)理發(fā)育，導(dǎo)致采煤工作面出現(xiàn)較為嚴(yán)重的片幫問(wèn)題。特別是采面來(lái)壓期間片幫嚴(yán)重制約煤炭高效、安全回采。為此，對(duì)礦井采煤工作面片幫發(fā)生原因進(jìn)行分析，并針對(duì)性提出片幫防治技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)取得顯著片幫防治效果。

1 工程概況

山西某礦3702綜采工作面開(kāi)采7號(hào)煤層，煤層埋藏深度平均465 m，厚度4.9 m，采用綜采開(kāi)采工藝一次采全高，采面采高平均4.85 m，沿著7號(hào)煤層頂板推進(jìn)。7號(hào)煤層傾角5°、硬度介于0.6~1.3。煤層直接頂、直接底均為砂質(zhì)泥巖，厚度分別為1.56 m、2.94 m；基本頂、基本底均為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖互層，厚度分別為3.64 m、5.21 m。采面開(kāi)采范圍內(nèi)發(fā)育有多個(gè)落差在1.0 m左右的正斷層，受到斷層影響部分區(qū)域煤層以及頂?shù)装鍘r性較為破碎。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，3702綜采工作面片幫問(wèn)題較為突出，割煤時(shí)基本均發(fā)生片幫，其中采面推進(jìn)至305 m位置時(shí)，在53號(hào)~56號(hào)支架間出現(xiàn)的片幫深度、高度平均分別達(dá)到1 750 mm、1 276 mm。采面片剛頻繁發(fā)生給煤炭正?；夭蓭?lái)顯著的影響。

2 采面片幫發(fā)生原因分析

1）根據(jù)已有研究結(jié)果表明，采空區(qū)內(nèi)自由空間與煤層開(kāi)采高度成正比。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)有較大的自由空間時(shí)頂板垮落的巖層難以有效充填整個(gè)回采空間，造成垮落巖層無(wú)法有效支撐煤層頂板，使得采面煤壁受到較大的頂板壓力，造成煤壁片幫發(fā)生率增加[2-3]。

2）3702綜采工作面回采的7號(hào)煤層硬度雖然在0.6~1.3間，但是煤體裂隙較為發(fā)育，承載能力相對(duì)較低。僅僅通過(guò)煤壁難以有效抵抗頂板壓力，若采面內(nèi)布置的液壓支架初撐力、工作阻力等較低，不能有效分擔(dān)頂板壓力，會(huì)使得本已破碎的煤體在頂板壓力下進(jìn)一步破碎，加劇煤壁片幫[4]。

3）7號(hào)煤層本身裂隙較為發(fā)育，在超前支撐壓力影響下裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，使煤體強(qiáng)度進(jìn)一步降低。若此時(shí)液壓支架與煤層頂?shù)装褰佑|不佳，導(dǎo)致煤壁邊緣位置處出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，此時(shí)極易出現(xiàn)片幫[5]。

4）一般情況下采面推進(jìn)速度越快煤壁穩(wěn)定性越好。當(dāng)采面回采速度較慢時(shí)，采動(dòng)引起的超前支承壓力會(huì)向深部煤體轉(zhuǎn)移，頂板作用到煤壁上的壓力增加。當(dāng)煤壁支撐強(qiáng)度小于頂板壓力時(shí)煤壁破壞深度隨之增加，導(dǎo)致頂板下沉量增加。頂板下沉與煤壁破壞相互作用，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致片幫。

3 煤壁片幫防治技術(shù)

3.1 片幫防治措施

根據(jù)上述分析結(jié)果看出，煤壁片幫與煤體自身強(qiáng)度、頂?shù)装鍘r性、采面推進(jìn)速度以及支架支撐效果等因素相關(guān)[6]。為此，文中提出下述片幫防治措施：

1）增加采面推進(jìn)速度。增加采面推進(jìn)速度可使得超前支承壓力向深部煤體轉(zhuǎn)移，從而降低超前支承壓對(duì)煤壁的影響，從而緩解煤壁片幫問(wèn)題。

2）增加煤體強(qiáng)度。若采面回采范圍內(nèi)煤體裂隙發(fā)育時(shí)可通過(guò)注漿等方式對(duì)煤體進(jìn)行加固，從而提升煤體自身承載能力。在煤體中注入化學(xué)漿液可提升煤體整體強(qiáng)度，從而大幅降低煤壁片幫發(fā)生率；采取超前注水方式可改善煤體力學(xué)性能，避免破碎煤體范圍進(jìn)一步擴(kuò)展。

3）增加支架支撐強(qiáng)度。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑黾右簤褐Ъ艹鯎瘟σ约肮ぷ髯枇?，使得液壓支架與7號(hào)煤層頂板密切接觸，通過(guò)煤壁以及液壓支架共同抵抗來(lái)至于頂板的壓力。

4）適當(dāng)降低采高。一般情況下采高越大煤壁片幫發(fā)生率越高。當(dāng)采面推進(jìn)至斷層破碎帶等范圍時(shí)，可適當(dāng)降低采面開(kāi)采高度。

3.2 超前注漿加固

3.2.1 注漿加固參數(shù)

針對(duì)3702綜采工作面回采的7號(hào)煤層煤體本身強(qiáng)度低、裂隙發(fā)育等問(wèn)題，提出采用超前注漿措施加固煤壁強(qiáng)度。注漿選用的材料為固特瑞，為了充分發(fā)揮加固效果并提升煤體承載力，注漿壓力設(shè)計(jì)為6~8 MPa，瞬間最大注漿壓力控制在12 MPa以內(nèi)，避免注漿壓力過(guò)大導(dǎo)致煤體出現(xiàn)新的裂隙。由于注漿孔本身間距較小，為了避免注漿漿液出現(xiàn)竄孔問(wèn)題，采用間隔注漿方式進(jìn)行注漿，注漿參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 注漿參數(shù)

3.2.2 注漿加固效果

在3702綜采工作面進(jìn)行超前注漿加固后，煤壁大范圍片幫問(wèn)題得以有效控制，雖然開(kāi)采時(shí)部分支架間仍有片幫發(fā)生，但是片幫深度、高度以及影響范圍等均較小，基本不會(huì)給采面正?；夭蓭?lái)影響。具體煤壁注漿前后采面片幫分發(fā)生次數(shù)及深度對(duì)比情況見(jiàn)圖1所示。

從圖1看出，對(duì)煤壁注漿后片幫發(fā)生次數(shù)降幅達(dá)到60%以上，片幫深度降低達(dá)到56%。通過(guò)在采面采取注漿加固后，煤壁片幫問(wèn)題得有明顯改善，在一定程度上提升了采面生產(chǎn)效率。

圖1 注漿前后片幫次數(shù)以及深度對(duì)比曲線

4 結(jié)論

1）3702綜采工作面回采的7號(hào)煤層煤體以及頂?shù)装辶严栋l(fā)育，在頂板壓力作用下煤壁片幫較為嚴(yán)重，從而給煤炭的正常安全回采帶來(lái)較大威脅。在對(duì)采面片幫原因分析基礎(chǔ)上，提出針對(duì)性片幫防治措施并具體對(duì)使用的注漿加固技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)布置參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2）在采面通過(guò)注漿后煤體強(qiáng)度以及穩(wěn)定性等均得以顯著提升，片幫發(fā)生次數(shù)以及深度較注漿前降幅分別達(dá)到60%、56%以上，采面片幫問(wèn)題得以明顯改善。