趙固二礦14030 工作面煤壁片幫柔性加固方案優(yōu)化

丁先飛 王利光 李 猛

（1.焦作煤業(yè)（集團）新鄉(xiāng)能源有限公司趙固二礦，河南 新鄉(xiāng) 453600；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100830）

隨著我國綜采技術(shù)不斷發(fā)展，設(shè)備制造與工作面管理水平逐步提高，工作面一次采出厚度逐漸增大，提高了礦井生產(chǎn)能力[1]。然而，大采高條件下綜合機械化采煤過程中，隨著采高的增加，煤壁前方支承壓力顯著變大，煤壁自穩(wěn)性降低，煤壁片幫的面積、深度和頻率也明顯增加，煤壁片幫導(dǎo)致工作面控頂距變大，引發(fā)端面冒頂事故[2]，而端面冒頂也進一步加劇煤壁片幫，嚴重影響工作面開機率，同時也對工作面機械設(shè)備和人身安全造成巨大威脅[3]。采場煤壁和直接頂組成的煤巖體的穩(wěn)定性是影響工作面實現(xiàn)高產(chǎn)高效的重要原因之一。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對不同條件下煤壁破壞機理與防治措施進行了大量研究。文獻[4]分析煤壁在自重和頂板壓力作用下主要表現(xiàn)出拉裂、剪切兩種煤壁破壞形式，并針對軟煤層提出了減緩煤壁壓力，改變煤體性質(zhì)的防治片幫措施；寧宇通過數(shù)值模擬得出了工作面長度增加及采高增大會加劇煤壁片幫的發(fā)生，并設(shè)計了特種支架配合合理的回采工藝來治理煤壁片幫；方新秋等[5]分析了軟煤綜放面煤壁受力特征，提出了煤壁中圓弧狀“滑動面”，并通過在重點區(qū)域采用打木錨桿的方式來控制煤壁穩(wěn)定。文獻[6-7]在分析了工作面穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提出了煤壁片幫柔性加固技術(shù)，利用“棕繩+注漿”這種新的煤壁柔性加固技術(shù)可以實現(xiàn)全長錨固，而且破壞的煤體在棕繩拉力作用下不滑落，煤壁穩(wěn)定性得到提高，同時采煤機可以將棕繩割斷，不影響正常生產(chǎn)。煤壁柔性加固技術(shù)效果顯著，成本大幅降低，并在不同工作面進行了工業(yè)性試驗，得到了很好的防治效果，為煤壁片幫防治提供了新思路。文獻[7]深入分析了硬煤煤壁拉裂型破壞發(fā)生機理及影響因素，并結(jié)合工程實例，對硬煤工作面采用柔性加固技術(shù)，證明了“棕繩+注漿”的柔性加固對煤壁拉伸破壞起到了有效抑制作用。

1 工程背景及概況

趙固二礦14030 工作面位于四盤區(qū)中部，東側(cè)為14021 工作面采空區(qū)，南鄰F18 斷層，西側(cè)為未開采區(qū)域，北鄰西軌道底抽巷等三條大巷。上順槽長2095 m，下順槽長2270 m，切眼長201 m，可采面積約370 660 m2，地面標高+75.3～+77.8 m。14030 工作面二1 煤厚4.8～6.1 m，平均5.9 m，煤層傾角4°～6°，煤層穩(wěn)定。煤層內(nèi)偶見夾矸，夾矸厚0.02～0.05 m，煤體內(nèi)的原生裂隙較發(fā)育，其中部分裂隙被方解石充填，其強度大、較為堅硬。

2 煤壁破壞及柔性加固機理

煤壁破壞的類型總體分為兩類：剪切破壞和拉伸破壞。在軟煤狀態(tài)下，煤體處于雙向受壓的狀態(tài)下，破壞形式屬于壓剪型。在硬煤狀態(tài)下煤體處于單向受拉狀態(tài)，若煤體與頂板之間存在剪切錯動，裂隙從上表面發(fā)育，最終破壞形態(tài)屬于拉剪型；若與頂板不存在剪切錯動，煤體中出現(xiàn)的拉應(yīng)力則更高，此時屬于拉裂破壞[7-10]。如圖1。

圖1 煤壁破壞形式

煤壁片幫后，因部分支撐頂板的煤體脫落，懸頂面積會進一步增大，即端面距進一步加大。如此反復(fù)，會形成“冒頂—片幫—冒頂”的惡性循環(huán)，從而極大地影響工作面的安全和高產(chǎn)高效生產(chǎn)。

柔性加固機理一方面是通過漿液使具有一定剛度和伸長率的棕繩很好地附著在煤體內(nèi)，形成全長錨固并且適應(yīng)采動引起的煤壁大變形，提高煤壁整體性；另一方面漿液可以擴展到煤體的內(nèi)部裂隙中去，使得塑性煤體再次恢復(fù)到近似彈性狀態(tài)下。即使當(dāng)片幫發(fā)生后，柔性棕繩也可以將其拖住，從而使片落煤體緩慢下落，減低片幫體對工作面人員和設(shè)備的威脅。棕繩可以被采煤機割斷，經(jīng)過工業(yè)性試驗，得到了良好的治理效果。因此不僅需要棕繩有一定的抗拉強度，同時又要求漿液與煤體間有很好的黏結(jié)力和抗剪強度。如圖2。

圖2 柔性加固工藝

3 柔性加固方案及優(yōu)化

3.1 柔性加固方案

為對煤壁進行柔性注漿加固，在工作面上下超前支護區(qū)以外各布置一臺3ZBQ6/20型氣動注漿泵，作為輸漿泵，同時在工作面23#、85#架處各布置一臺3ZBQ40/4 型氣動注漿泵，作為孔口注漿泵。注漿泵通過接取輸漿管內(nèi)漿液對工作面內(nèi)注漿孔進行注漿。

施工時，先用鉆機在工作面片幫嚴重區(qū)域鉆孔，鉆孔直徑40 mm，排距4 m，孔深6 m。打孔完成后，先用鋼管將棕繩放入，然后用注漿泵將漿液注入。注漿結(jié)束后，封堵孔口。

3.2 柔性加固方案優(yōu)化

現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)，注漿孔的位置對加固效果有較明顯的影響。為進一步優(yōu)化柔性加固工藝，通過數(shù)值模擬軟件UDEC 建立14030 工作面采場開挖模型，分析不同注漿孔高度對煤壁加固效果的影響，如圖3 所示。由圖3 可知，煤壁破壞最深處在煤壁中部，破壞結(jié)構(gòu)呈“月牙形”，加固后煤壁裂隙明顯減少。

圖3 不同注漿孔高度對加固效果的影響

為進一步分析加固效果，通過fish 語言提取不同方案下的煤壁裂隙總長度，如圖4 所示。由圖4可知，隨著注漿孔位置升高，煤壁裂隙總長度呈減小的趨勢，當(dāng)注漿孔位在距底板5 m 時，裂隙總長度最短。加固效果最好。

圖4 不同注漿孔高度下煤壁裂隙總長度

4 結(jié)論

（1）14030 工作面煤壁片幫分為拉裂破壞和剪切破壞兩種形式，片幫后容易引起冒頂，形成“冒頂—片幫—冒頂”的惡性循環(huán)，影響安全高效生產(chǎn)。

（2）柔性加固工藝能提高煤體強度，使得塑性煤體再次恢復(fù)到近似彈性狀態(tài)，柔性棕繩能拖住片幫煤體，保證工作面人員和設(shè)備安全。

（3）通過數(shù)值模擬分析得到，當(dāng)注漿孔位置距離底板高度為5 m 時，煤壁裂隙總長度最短，柔性加固效果最好。