大采高綜采工作面煤壁片幫機理及控制技術研究

孟 偉

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝礦，山西 呂梁 033000）

引言

隨著礦井采掘深度的不斷延伸，在開采煤層高度3.5 m～7 m 的厚煤層時通常采用大采高綜采技術。大采高綜采技術由于資源采出率高,煤炭含矸率低等優(yōu)點作為一種高產高效的回采工藝得到廣泛應用。伴隨著煤層埋藏深度和工作面采高的不斷增加,大采高綜采工作面煤壁片幫、冒頂?shù)葐栴}日益嚴重，成為大采高技術亟待解決的理論技術難題。為此國內諸多學者開展相關研究，華心祝，謝廣祥[1]為控制淮南張集礦12153 大采高綜采工作面煤壁片幫,基于理論分析和數(shù)值模擬，提出了俯斜開采,采用“注漿+桁架錨桿”聯(lián)合支護技術,提高采掘進度,加固煤壁和及時治理煤壁片幫。本文結合斜溝礦18108 工作面地質條件，針對工作面煤壁片幫嚴重問題，設計了“注漿+桁架錨桿”聯(lián)合支護技術有效控制煤壁片幫問題，保證礦井安全采掘。

1 礦井概況

斜溝礦位于山西省興縣北50 km 處，井田東西寬4.5 km，南北長22 km，礦井面積約88.6 km2，設計年生產能力1 500 萬t，現(xiàn)主要開采太原組2#、8#煤層。18108 工作面現(xiàn)在主要開采山西組8#煤層，煤層平均厚度5.2 m，煤層平均傾角8.9°。18108 運輸順槽設計長度765 m，斷面為矩形，寬4.8 m、高2.4 m，開口位置位于8#南軌道巷東幫，方位角90°。巷道掘進過程中每隔100 m 在前進巷道右?guī)途蛞粋€材料硐室，長8 m、深度1 m、高度2.4 m；掘進過程中，在巷道低洼處施工臨時水倉，長2 m、寬1 m、深度1 m。18108回風順槽掘進斷面形式如下：掘進斷面11.52 m2，凈寬4.6 m、凈高2.3 m，凈段面10.58 m2，采用錨網（索）支護，巷道掘進煤層為9 號煤層，其位于太原組中部K4 灰?guī)r之上，煤層厚度1.56 m～1.72 m，平均厚度1.62 m，厚度變異系數(shù)11.6%，可采系數(shù)100%，煤層傾角3°，結構簡單，不含夾矸，普氏系數(shù)f=1～2。

斜溝礦18108 工作面采用綜合機械化掘進工藝，截至2021 年5 月6 日，巷道已掘進750 m。鉆探資料顯示，巷道掘進至720 m 時，位于巷道北部23 m 處存在一條X3 陷落柱，陷落柱長軸長24 m、短軸長17 m，長軸與巷道掘進方向近似平行，在720 m 前巷道掘進過程中圍巖相對穩(wěn)定；當巷道掘進至720 m 時，位于陷落柱側巷幫出現(xiàn)破碎、片幫現(xiàn)象。

2 煤柱片幫機理

2.1 礦井地質構造

結合斜溝礦水文地質資料顯示，18108 運輸順槽掘進至750 m，位于巷道北側存在一條X3 陷落柱，巷道與陷落柱縱軸平行布置，間距為23 m，巷道掘進時巷道內形成應力釋放區(qū)，陷落柱應力沿煤柱向巷道內釋放，釋放期間對巷幫煤柱產生水平張拉應力，從而對巷幫煤柱產生破壞作用，導致煤柱出現(xiàn)破碎、片幫現(xiàn)象。

2.2 煤層賦存情況

斜溝礦18108 運輸順槽掘進煤層為8#煤層，結構復雜，煤層內含三層夾矸，多以砂質泥巖為主，總厚度為0.6 m。夾矸破壞了煤體穩(wěn)定結構，導致煤體穩(wěn)定性差。而18108 運輸順槽布置在煤層內，兩幫為煤體，兩幫煤柱在應力作用下支撐強度低，當煤柱受應力破壞后，煤柱出現(xiàn)嚴重剝離破壞，從而造成煤柱片幫。

18108 運輸順槽在構造應力作用下，煤柱出現(xiàn)嚴重破碎現(xiàn)象，通過鉆探發(fā)現(xiàn)，從煤柱表層向深部形成圍巖松動圈，且松動圈范圍不斷擴大，松動圈深度達2.4 m；而原巷幫煤柱主要采用螺紋鋼錨桿支護，錨桿長度為2 m、直徑為20 mm，錨桿采用端頭錨固方式，錨固長度為0.9 m，錨桿錨固位置為松動圈破碎巖體，導致錨桿錨固效果差，支護強度低。

3 片幫煤柱聯(lián)合支護技術

為了保證18108 運輸順槽后期安全快速掘進，防止煤柱出現(xiàn)片幫現(xiàn)象，決定對片幫采取注漿加固煤體，同時采用桁架錨桿削弱煤體內構造應力破壞作用。

3.1 注漿加固技術

18108 運輸順槽片幫區(qū)采用深孔加固技術，為了不影響巷道掘進施工，注漿施工與巷道掘進同步進行，注漿施工滯后巷道迎頭5 m 處進行，首先采用鉆機對片幫煤柱施工一排注漿鉆孔，鉆孔施工在距頂板1.5 m，且與巷幫煤柱垂直布置，如圖1 所示。

圖1 片幫煤柱聯(lián)合支護結構示意圖（單位：mm）

注漿鉆孔深度為5 m，直徑為40 mm，鉆孔間距為3 m，注漿鉆孔施工完成后對鉆孔內填入一根長度為3 m、直徑為16 mm 的注漿花管，注漿花管一端與專用注漿泵連接。為了提高注漿效果，對注漿鉆孔采用水泥砂漿、粉煤灰聯(lián)合進行封孔處理，封孔長度為0.6 m。全部工序完成后開始進行注漿施工，為了加快注漿液凝固速度，提高注漿加固效果，決定采用聚氨酯、催化劑、凝固劑混合漿液，注漿時先高壓后低壓，低壓穩(wěn)定在1.5 MPa 左右，注漿時間控制在15 min～20 min。

注漿施工必須一次性完成，避免二次注漿出現(xiàn)壓力不足、封孔難等現(xiàn)象，注漿完成后立即拔出注漿花管，并再次對孔口進行封堵，注漿完成3 h 后對注漿區(qū)域進行檢查，確保注漿合格[2-3]。

3.2 桁架支護

3.2.1 桁架支護原理

桁架支護主要對圍巖施工兩根對稱斜角支護體，在支護體之間安裝預緊裝置，并對兩根支護體進行預緊作用，支護體在相向預緊的同時會對孔壁產生一個傾斜分力，兩個分力垂直巖體面，從而對巖體內破壞作用力起到削弱、抵消作用，同時斜角支護體對圍巖產生傳統(tǒng)支護作用[4]。

3.2.2 桁架支護結構

18108 運輸順槽片幫處施工的桁架支護主要由加長錨桿、預緊裝置兩部分組成，其中加長錨桿長度為3.5 m、直徑為30 mm，錨桿為螺紋聚氨酯錨桿。該錨桿具有柔性強、不易變形、支護強度高等優(yōu)點。預緊裝置主要由張拉器、張拉桿兩部分組成，張拉器長度為0.5 m，可實現(xiàn)雙向張拉，張拉桿共計兩根，每根長度為1 m。

3.2.3 桁架支護工序

1）18108 運輸順槽掘進至750 m 時，對巷幫施工桁架錨桿支護，巷幫共計施工兩排桁架，且兩排支護呈邁步式布置。

2）首先在巷幫施工兩根錨桿支護孔，第一排支護孔布置在距頂板0.8 m 處，鉆孔間距1.8 m，同一組鉆孔與巷幫呈70°夾角布置，且兩個支護孔對稱布置。

3）同一組錨索支護孔施工完成后依次對鉆孔內錨注聚氨酯錨桿，采用MKC 型錨固劑進行錨固，錨固長度為1 m，錨固后對錨桿外露端安裝張拉桿，并采用張拉器進行預緊。

4）同一排桁架錨桿支護布置間距為1.3 m，第二排桁架錨桿支護與第一排布置排距為1 m，且兩排桁架支護呈邁步式布置[5]。

4 結論

隨著，斜溝礦18108 運輸順槽掘進至750 m，且已完全通過X3 陷落柱影響區(qū)域，通過對構造應力巷幫采取“注漿+桁架加長錨桿”聯(lián)合支護后，巷道在后期掘進過程中未出現(xiàn)巷幫大面積片幫現(xiàn)象，巷幫原永久支護失效率由原來的17%降低為3%，兩幫收縮量不足0.4 m，大幅提升了巷道成型率，保證了工作面的高產高效回采。