大采高綜采工作面煤壁片幫綜合治理技術研究

郭禮忠

（汾西礦業(yè)集團調度指揮部，山西 介休 032000）

在大采高綜采面作業(yè)過程中，因受煤質本身和地質等方面因素的影響，容易產生比較嚴重的煤壁片幫問題，影響工作面正常生產與生產安全。因此，有必要在明確煤壁片幫影響因素的基礎上，制定有效的綜合治理技術。

1 工程概況

某煤礦煤層傾角在8°左右，煤層埋深約560 m，層厚約3.6 m；偽頂以泥巖與炭質泥巖為主，厚度在0.8 m 以內；直接頂以泥巖為主，厚度在1.0～6.5 m 范圍內；老頂以砂巖為主，粗粒、中粒與細粒均可見，厚度在1.00～19.04 m 范圍內；底板以泥巖與砂質泥巖為主，厚度在9.10～17.27 m 范圍內。煤體硬度較大，屬堅硬類范疇。采煤工藝為走向長壁綜合機械化開采，采用垮落法進行頂板管理。該煤礦首采工作面總長約110 m，回采時沒有采取有效的防片幫措施，導致工作面片幫情況比較嚴重，特別是工作面的中部。根據(jù)初步統(tǒng)計，片幫總長度可以達到工作面40%。

2 影響因素分析

2.1 煤質

在煤層比較松軟的情況下，頂板有很小的壓力就會將煤壁壓垮，導致煤壁片幫，而當煤層硬度相對較大時，即便頂板有良好的完整性，也很容易產生煤壁片幫。其原因為：儲存在堅硬類煤中的能量遠遠高于松散類煤，能量一旦釋放，將瞬間發(fā)生煤壁片幫，而且其嚴重程度也高于松散類煤。在工作面隨機抽取三組樣品，測定其物理力學參數(shù)可得，其堅固性系數(shù)為3.01～4.42，為典型的堅硬類煤，因此該工作面煤壁片幫的產生和煤質之間有直接關系[1]。

2.2 地質

當煤層中的節(jié)理與裂隙均較發(fā)育時，也容易引起煤壁片幫。其原因為：節(jié)理與裂隙的存在會在煤層當中產生弱面，使煤層強度大幅降低，導致煤體結構松散，從煤層上發(fā)生脫落，特別是存在大量橫向節(jié)理時，受支承壓力持續(xù)作用后裂隙逐漸貫通，產生自由面。在該工作面的現(xiàn)場實施超聲波測試，根據(jù)不同位置反饋的聲波速度，煤壁中部反饋的聲波速度相對較小，而且變化范圍很大，這在很大程度上說明該位置存在很多裂隙，煤體的均質性相對較差；而上下部反饋的聲波，其速度變化范圍并不大，且煤體的完整性也較好，說明裂隙發(fā)育并不明顯。以上結果和現(xiàn)場煤壁片幫實際情況基本一致[2]。

2.3 薄基巖

根據(jù)相關地質資料，在工作面的上方，其基巖厚度最小只有35 m，完成開采后老頂發(fā)生垮落，上方基巖無法形成砌體梁結構，進而不能有效分解載荷，特別是頂板來壓以后，將導致臺階式下沉，巖塊直接作用于煤壁與支架，使煤壁受力大幅增加，最終造成煤壁片幫。

3 綜合治理

3.1 高壓注水

通過對防片幫技術的深入研究可得，在煤層中進行鉆孔注水能增強煤體自身黏聚力與抗剪強度，因煤層注水有很強的可操作性，且成本也相對較低，所以在諸多防片幫技術措施當中，它是較為常用的一種。根據(jù)松散煤體自身黏聚力與抗剪強度和含水率之間的變化情況可知，當煤體含水率不斷增加時，其黏聚力與抗剪強度也明顯提高。通過高壓注水，能使?jié)駶櫚霃阶兇?，使注水所需時間逐步縮短，并增大注水孔的孔徑，注漿孔布置如圖1 所示。結合以往相關研究成果，在充分考慮該工作面具體情況的基礎上，將注水孔的深度確定為100 m，將注水壓力控制在25～30 MPa 范圍內，并按照5 m 以上的長度進行封孔，孔之間的距離按8 m 控制，相鄰兩次注水間隔24 h的時間，每次注水的注水量按不少于320 m3控制[3]。

圖1 注漿孔布置

3.2 “4+2”割煤法

該工作面最初采用的是雙向割煤法，截割深度為600 mm，如果發(fā)生煤壁片幫，將使片落的煤塊很大，對大塊煤塊進行處理時會對推進速度造成很大的影響，使即將開采的煤壁不得不長時間暴露，進一步增大危險性。因此，為防止大煤塊片落，縮短煤壁直接暴露的時間，必須對割煤工藝予以優(yōu)化，以單向與雙向割煤為基礎，提出一種新的割煤方法，即“4+2”法。該方法是指將一刀煤分成兩次來割，當采煤機從機尾開始向機頭的方向進行割煤時，將支架一次性移動并架設到位，并及時對頂板進行支撐，但運輸機并不一次性頂推到位，對千斤頂進行推移時，每次只推移400 mm，在這種情況下，因割煤厚度明顯減小，所以基本不會垮落大煤塊，同時還會加快采煤機的實際運行速度，當?shù)竭_機頭開始向機尾的方向進行返刀時，割剩下厚度的煤，以此完成整個煤層的截割。采用該方法能有效防止大塊煤垮落，同時縮短煤壁直接暴露的瞬間，進而降低片幫發(fā)生概率。采用雙向割煤法作業(yè)時，從機尾的三角處開始進刀，重刀將第一個機頭完全割透需要60 min 的時間；從機頭返回至支架將第二個機頭割透需要35 min 的時間；從機頭重刀割向機尾將第一個機尾割透需要90 min 的時間；采煤機返回至支架將第二個機尾割透需要30 min 的時間；總耗時為230 min。采用單向割煤法作用時，從機尾三角處進刀將機頭割透需要60 min 的時間；空刀反向機尾，將機尾割透需要30 min的時間；進一刀煤需要90 min 的時間。而采用“4+2”法進行割煤時，從機尾三角處進刀將機頭割透需要50 min 的時間；返回至機尾將機尾割透需要30 min的時間；進一刀煤需要80 min 的時間[4]。

3.3 工作面端頭防冒頂

該工作面的回風巷采用矩形斷面，高度與寬度分別為2 800 mm、4 000 mm，因巷道頂板的自穩(wěn)性相對較差，所以成巷過程中只采用錨噴方法無法滿足要求。對此，參考國內其他礦井所用支護方法，提出一項新支護技術，即錨索鋼梁補強支護與注漿改造頂板相結合，也就是在破碎帶采用錨索和鋼梁來實現(xiàn)補強支護，然后通過注漿來改造整個頂板。通過對上述措施的應用，能有效減緩煤壁片幫，使片幫的總深度與總長度均明顯減小[5]。

3.4 其他方法

1）盡快支護，及時將護幫板打開能為煤壁施加一定側向壓力，促使煤壁從單向受力變成三向受力，在提高煤壁自身抗壓強度的同時，抵擋住崩落下來的煤塊，進而減小煤塊崩落造成的破壞。

2）加快工作面實際推進速度，將之前的兩班生產和一班檢修更高成兩班半生產與半班檢修。通過這樣的更改，能縮短煤壁直接暴露的時間，防止煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生，特別是在工作面來壓以后，生產過程保持連續(xù)，通過對工作面實際推進速度的加快，能起到避免因時間問題產生煤壁片幫的作用[6]。

3）提供足夠工作阻力及初撐力，經數(shù)值模擬與實測可知，通過增加支架自身工作阻力，同時在帶壓的條件下移動支架，能有效降低煤壁的壓力，避免片幫發(fā)生。另外，支架自身工作阻力明顯增大后，還能起到減少或避免頂板離層的作用，防止老頂來壓造成太大沖擊。做好液壓系統(tǒng)的檢查與維修，能使乳化液泵站提供穩(wěn)定的壓力，進而提供足夠初撐力。通過對液壓系統(tǒng)全面檢修，避免跑冒滴漏，能防止由于卸壓產生自動降架[7]。

針對該工作面圍巖條件較差、基巖厚度較薄、煤質堅硬與采高相對較大等實際問題，通過高壓注水、采煤方法優(yōu)化，對來壓過程中工作面煤壁片幫實際情況進行觀測，得出煤壁片幫現(xiàn)象相對輕微。在周期來壓過程中，片幫的長度不超過4.5 m，深度也只有0.3 m，片幫率約9%，相比于只采用注水方法，低3%～6%，相比于未采取措施，低9%～30%。在沒有來壓時，片幫率更低，只有周期來壓過程的1/2，雖然端頭頂板產生明顯變形，但都沒有露板。可見，通過對上述方法的采用，可將煤壁片幫嚴格控制在允許范圍之內，使工作面的生產得以安全且順利完成。

4 結語

針對該工作面產生的煤壁片幫問題，從煤質與地質兩方面分析導致片幫產生與片幫問題比較嚴重的原因，然后提出包含注水、割煤方法優(yōu)化與及時支護等在內的綜合治理措施，最后取得了良好防治效果。