三軟煤層煤壁片幫控制技術(shù)分析

趙 亮

(山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400)

三軟煤層通常指目標(biāo)礦井所屬區(qū)域煤層頂?shù)装寮懊簬r體本身較為松軟，在其開采過程中，由于巷道圍巖壓力較大，因此很容易出現(xiàn)不同程度的變形[1]。在三軟煤層工作面進(jìn)行巷道支護(hù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考慮巷道圍巖自身承載力，確保支護(hù)的整體剛度以避免出現(xiàn)片幫、頂板冒落及底鼓等問題?；诖耍旱V相關(guān)研究人員從多個方面對煤壁片幫原因進(jìn)行了研究，包含礦山壓力變化規(guī)律、煤巖體自身物理化學(xué)性質(zhì)以及支護(hù)模式等。然而，由于中國大部分煤炭位于較為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件下，不同礦井的地質(zhì)特性存在一定的差異，因此需要根據(jù)目標(biāo)礦井所處區(qū)域煤巖體特性采取針對性防片幫措施。

1 工程概況

目標(biāo)礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120萬t/a，目前正在開采的15031工作面位于井田的中部區(qū)域，其南側(cè)為采空區(qū)，北側(cè)為與其并行開采的15032工作面，東側(cè)為礦井運(yùn)輸大巷及回風(fēng)巷。目前，目標(biāo)礦井的主采煤層為9號煤層，整個煤層平均厚度為3.5 m，傾角平均為6°，屬于緩傾斜煤層，煤層的普氏系數(shù)為0.2～0.7，煤層的整體結(jié)構(gòu)較為簡單。其中，目標(biāo)煤層上半部的巖石由于長期受到擠壓等外界力的影響，出現(xiàn)了不同程度的破碎，整體結(jié)構(gòu)較不穩(wěn)定煤層結(jié)構(gòu)簡單，不存在大范圍斷層及褶曲結(jié)構(gòu)。頂板巖性以泥巖及砂質(zhì)泥巖為主，整體巖石自身粘結(jié)力較弱，抗壓強(qiáng)度為20 MPa，抗拉強(qiáng)度為0.71 MPa，屬于典型三軟煤層。

2 片幫主要原因分析

目標(biāo)礦井現(xiàn)階段的支架圍巖體系中支架以及煤壁是承受整體礦山壓力的主體，其穩(wěn)定性對于整個礦井巷道的穩(wěn)定性具有極其重要的意義[2]。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，煤壁穩(wěn)定性較差經(jīng)常是導(dǎo)致整個體系失穩(wěn)的主要原因。從力學(xué)角度分析，煤壁片幫是由于煤巖體所承受壓力超過其自身承載力而導(dǎo)致。目標(biāo)礦井15031工作面出現(xiàn)片幫的原因主要為，煤巖體承受的壓力值超過其自身承載極限，從而產(chǎn)生變形的巖體碎塊，同時(shí)，外界支撐設(shè)備不能在較短時(shí)間內(nèi)完成支護(hù)而導(dǎo)致片幫。基于此，本文從礦山壓力、煤巖體自身承載力以及支護(hù)效果三個方面對片幫的主要原因進(jìn)行綜合分析。

1) 礦山壓力影響。實(shí)際生產(chǎn)過程中，目標(biāo)礦井工作面煤體所承受的壓力值主要來源于垂直地應(yīng)力、老頂破斷后傳導(dǎo)的壓力以及直接頂自重三個方面[3]。為了進(jìn)一步分析15031工作面的超前支承壓力對于整體煤壁穩(wěn)定性的影響，超前支撐壓力的分布情況見圖1。

圖1 15031工作面超前支承壓力分布情況

由圖1可知，隨著工作面推進(jìn)距離的增加，對應(yīng)的超前支承壓力值呈現(xiàn)明顯增大趨勢，對應(yīng)的最大值可達(dá)41.93 MPa，集中系數(shù)可以達(dá)到2.7。當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時(shí)，距離工作面30 m范圍內(nèi)的超前支承壓力發(fā)生較為明顯的變化，特別是距離工作面15 m時(shí)的支承壓力值可達(dá)到最高。由此可見，巷道前段承受頂板周期壓力、采動影響較為明顯。同時(shí)，當(dāng)工作面向前推進(jìn)至90 m時(shí)，距離工作面20 m范圍內(nèi)超前支承壓力也呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。隨著工作面不斷向前推進(jìn)，對應(yīng)的超前支承壓力最高值出現(xiàn)的位置也距離工作面越來越遠(yuǎn)。由此可見，超前支承壓力主要受采動影響，同時(shí)，在距離工作面大于75 m的區(qū)域范圍內(nèi)的阻力值基本不變，表明距離工作面75 m以外的煤巖體幾乎不受采動影響。

通過分析超前支撐壓力的最高值可以發(fā)現(xiàn)，與其所處工作面自身承載力相比，約為單體液壓支柱抗壓強(qiáng)度的十倍。同時(shí)，在工作面回采后，煤巖體原有的受力狀態(tài)均轉(zhuǎn)化為單向卸壓狀態(tài)，導(dǎo)致沒有外力干擾的破碎巖體由于其自重作用發(fā)生運(yùn)動，最終將會導(dǎo)致片幫以至冒頂。

2) 煤巖體自身承載力。工作面煤壁片幫除會受采動影響外，還與巖體自身集中應(yīng)力、抗壓強(qiáng)度及抗變形能力等有密切關(guān)系。15031工作面所采煤層屬于三軟煤層，煤體自身裂隙較多，嚴(yán)重影響了自身的穩(wěn)定性。當(dāng)煤巖體受外界壓力影響較大時(shí)會出現(xiàn)不同程度的變形，使煤壁體的裂隙相互貫通，最終引發(fā)片幫。同時(shí)，采用放頂煤開采工藝時(shí)，工作面的超前支承壓力逐漸增加，其破壞范圍也在不斷擴(kuò)大，如不及時(shí)采取措施會導(dǎo)致更為嚴(yán)重的失穩(wěn)。

3) 支護(hù)有效性。為防止巷道出現(xiàn)片幫，在工作面支護(hù)過程中也應(yīng)當(dāng)合理選擇支護(hù)設(shè)備。支護(hù)設(shè)備除起到支撐作用外還應(yīng)當(dāng)起到一定的保護(hù)作用，支護(hù)過程中應(yīng)保證支護(hù)設(shè)備自身的穩(wěn)定性，避免由于參數(shù)不合理而導(dǎo)致載荷過大，進(jìn)而使煤壁承受的外界壓力值過大，最終導(dǎo)致片幫。實(shí)際生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)片幫也會使設(shè)備自身發(fā)生不同程度的變形。因此，隨著工作面的不斷推進(jìn)，應(yīng)當(dāng)對設(shè)備的支護(hù)能力進(jìn)行優(yōu)化，出現(xiàn)失效情況時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取對應(yīng)措施。

3 片幫防治措施

3.1 增加支架保護(hù)裝置

為進(jìn)一步保證巷道煤壁的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)采用工作阻力較高的液壓支架作為支護(hù)設(shè)備，由于工作面支護(hù)設(shè)備大多已投入使用。因此，為增強(qiáng)原支護(hù)效果，需要在現(xiàn)有的支架上安裝保護(hù)裝置以加強(qiáng)支護(hù)能力。

3.2 加強(qiáng)煤壁自身承載力

1) 煤壁注水。由于目標(biāo)工作面煤壁穩(wěn)定性較差，注水時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)煤體實(shí)際情況進(jìn)行綜合計(jì)算，其中，注水孔距離煤壁頂板的距離應(yīng)當(dāng)依據(jù)煤層自身采放比進(jìn)行計(jì)算，一般情況下的注水孔距頂板約為0.3～0.6 m，注水傾角一般為15～30°。現(xiàn)場實(shí)踐后發(fā)現(xiàn)，注水有效半徑為3 m左右。綜合分析上述相關(guān)參數(shù)同時(shí)結(jié)合目標(biāo)礦井生產(chǎn)實(shí)際，加強(qiáng)煤壁自身承載力的注水參數(shù)設(shè)計(jì)如下：注水孔間距設(shè)計(jì)為4 m，孔深5.5 m，注水壓力3～5 MPa，采用水力膨脹型封孔器，有效封孔深度為1 m，注水時(shí)間為15 min。

2) 工作面打錨桿。當(dāng)工作面煤體破損較為嚴(yán)重時(shí)，可以使用錨桿加強(qiáng)巷道煤體穩(wěn)定性。一般情況下，沿工作面頂板以 0.2 m間隔打設(shè)錨桿，其中錨桿的參數(shù)為：長1.8 m，直徑45 mm。特殊情況下可以采用錯位補(bǔ)打錨桿的方式以加強(qiáng)整體錨固力。其中，為進(jìn)一步加強(qiáng)錨固效果，可以在錨桿打設(shè)完畢后在對應(yīng)位置注水以加強(qiáng)煤體膨脹，通過錨固劑與水的綜合作用實(shí)現(xiàn)整體穩(wěn)定性的提升。

4 結(jié) 語

綜上所述，當(dāng)煤體本身結(jié)構(gòu)較為松軟時(shí)，很容易受采動影響而導(dǎo)致出現(xiàn)片幫、頂板垮落等現(xiàn)象，最終對正常生產(chǎn)造成嚴(yán)重危害。實(shí)際生產(chǎn)過程中，三軟煤層的片幫一直是煤礦開采過程中的主要問題，通過對目標(biāo)礦井片幫情況進(jìn)行實(shí)測后發(fā)現(xiàn)，可以通過采用有效措施對其原有片幫情況進(jìn)行改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)整體穩(wěn)定性提升。其中，煤壁片幫大多與煤巖體自身性質(zhì)、礦山壓力值以及支架支護(hù)等密切相關(guān)。結(jié)合目標(biāo)礦井生產(chǎn)實(shí)際，對其原有的支護(hù)模式進(jìn)行改進(jìn)且經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，采用加固措施后，整個巷道的煤巖體穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，礦山安全生產(chǎn)系數(shù)顯著增加。