大采高工作面煤壁片幫控制技術(shù)研究

朱利軍

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 賀西煤礦，山西 柳林 033300)

煤炭是我國經(jīng)濟(jì)有序發(fā)展的重要保障資源，特別對于厚煤層的開采，一直以高產(chǎn)高效作為主要目標(biāo)，由此大采高一次采全厚開采工藝得到了廣泛的發(fā)展[1-3]。隨著該技術(shù)的應(yīng)用，由于采高的增加，致使煤壁暴露面擴(kuò)大，同時承載較大載荷，在礦壓作用下，易導(dǎo)致煤壁片幫的發(fā)生，對采煤設(shè)備及作業(yè)人員構(gòu)成威脅，降低開采效率，這也凸顯了對大采高煤壁穩(wěn)定性分析及其控制方法研究的必要性[4-6]。楊勝利等[7]分析了大采高工作面煤壁變形特征及其柔性加固機(jī)理，構(gòu)建了“棕繩-漿液-煤體”本構(gòu)模型，揭示了棕繩與煤壁協(xié)調(diào)變形機(jī)理；付永剛等[8]采用揭示方法研究了松軟厚煤層大傾角仰采工作面煤壁片幫力學(xué)機(jī)制，提出了有效防止煤壁片幫方法；張和平[9]采用數(shù)值模擬手段對煤壁片幫影響因素進(jìn)行分析，提出在頂板采用劈裂與滲透相結(jié)合的注漿加固工藝；李曉飛[10]通過對影響煤壁穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析，提出采用超前深孔預(yù)注水技術(shù)提高煤壁的穩(wěn)定性，并對超前預(yù)注水技術(shù)的各項參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計。本文以某礦大采高綜合機(jī)械化開采技術(shù)為研究背景，對大采高煤壁片幫特征及其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，提出了煤壁片幫控制方法，為大采高工作面煤壁穩(wěn)定性控制提供借鑒與指導(dǎo)。

1 工作面概況

某煤礦年產(chǎn)量1 200萬t，主采5號煤層，85201工作面標(biāo)高1 098～1 132 m，走向長度3 160 m，傾斜長度290 m，面積932 200 m2，采用大采高綜合機(jī)械化開采技術(shù)，煤層頂?shù)装逶敿?xì)情況見表1。工作面采取煤層傾向設(shè)計，巷道采取煤層走向設(shè)計，采高6.5 m。工作面共設(shè)置膠運(yùn)巷與回風(fēng)巷兩條巷道。膠運(yùn)巷主要用于煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)與進(jìn)風(fēng)使用，輔運(yùn)巷也用于回風(fēng)使用，膠運(yùn)巷與輔運(yùn)巷間通過聯(lián)巷聯(lián)通，聯(lián)巷間距50 m，主要作用于輔助倒車與材料輸送，工作面布置情況如圖1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

圖1 工作面布置圖

2 大采高工作面煤壁片幫特征及其影響因素分析

2.1 煤壁片幫特征分析

大采高工作面煤壁片幫的發(fā)生受采高、礦壓及裂隙等多種因素的影響[11]。對于片幫特征的分析往往通過“5點(diǎn)法”進(jìn)行確定。對于該礦工作面片幫情況進(jìn)行實(shí)測分析，如圖2所示，x1到x2的距離為沿煤壁方向的水平片幫寬度，O到z1的距離為片幫高度，O到y(tǒng)1與y2的距離分別為頂板處片幫深度與深部片幫深度，將所有測點(diǎn)連接形成煤壁片幫體的幾何形態(tài)，可以看出該礦煤壁片幫體為不規(guī)則“橢球形”，在垂直煤壁截面上呈現(xiàn)“C”形變化特征。

圖2 煤壁片幫特征分析圖

2.2 煤壁片幫影響因素分析

煤壁片幫的形成主要受支撐壓力與礦壓在時空上持續(xù)作用的結(jié)果，致使完整的煤壁從裂隙發(fā)育逐漸轉(zhuǎn)化為失穩(wěn)片幫。根據(jù)前述獲得的片幫體空間幾何形態(tài)，構(gòu)建煤壁片幫模型如圖3所示。

圖3 煤壁片幫分析模型圖

圖3中，Zn為煤壁易發(fā)生片幫位置，hn為潛在片幫高度，m。在片幫面y1zn上，下滑力F下表達(dá)式如公式(1)所示。

F下=Wsinα

(1)

該面上的抗滑力F抗表達(dá)式如公式(2)所示。

F抗=Wcosαtanφ+cb

(2)

式中：W為片幫體自重，N；b為片幫面的長度，m；φ為煤的內(nèi)摩擦角，°；c為內(nèi)聚力，Pa。

根據(jù)極限平衡原理，得到表達(dá)式如公式(3)所示。

Wsinα=Wcosαtanφ+cb

(3)

片幫體自重與片幫高度計算式如公式(4)和公式(5)所示。

W=γhncosα/2

(4)

hn=H(1-tanα)

(5)

式中：hn為片幫高度，m；H為煤壁極限穩(wěn)定高度，m。

聯(lián)合公式(3)、公式(4)與公式(5)，得到煤壁極限穩(wěn)定高度表達(dá)式如公式(6)所示。

(6)

(7)

根據(jù)公式(7)可以看出，煤壁極限穩(wěn)定高度與煤體容重成反比，與內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角成正比關(guān)系，在容重一定的條件下，適當(dāng)?shù)卦黾用后w的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角，可有效保障煤壁的穩(wěn)定。在此，研究提出對煤壁進(jìn)行加固來控制片幫的發(fā)展。

3 煤壁片幫控制方法

3.1 錨桿加固

85201工作面煤壁片幫較嚴(yán)重地段，采用木錨桿支護(hù)加固方式進(jìn)行及時支護(hù)，支護(hù)方法如圖4所示。鉆桿頂端削尖，底端外露長度不大于110 mm，長度分別為1 500 mm和1 850 mm，直徑45 mm，采取五花眼布置方式，共設(shè)置3排，眼距800 mm，上下兩根錨桿與煤壁水平面夾角25°，中間錨桿與煤壁垂直。下部錨桿距底板2 500 mm，中部錨桿距底板4 000 mm。

圖4 錨桿支護(hù)方式圖(mm)

3.2 注漿加固

85201工作面煤壁片幫嚴(yán)重地段，采用煤壁注漿加固方法，研究采用馬麗散進(jìn)行注漿，在煤壁鉆鑿兩排注漿孔，采取交錯布置方式(圖5)。

圖5 注漿孔布置圖

上段注漿孔深6 m，與水平面夾角為25°，中心注漿孔深4 m，水平布置方式，注漿孔水平間距3 m，垂直間距2.5 m，注漿壓力6 MPa，注射花管直徑12 mm，高壓膠管直徑20 mm，漿液完全滲透時間為15 min，單次注漿完成后需清洗管路，隨后進(jìn)行下一個循環(huán)注漿作業(yè)，注漿工藝如圖6所示。

圖6 注漿加固工藝流程圖

4 煤壁片幫控制效果

片幫控制方法在85201工作面實(shí)施后，對該工作面煤壁片幫情況進(jìn)行了現(xiàn)場統(tǒng)計，結(jié)果見表2。

表2 治理前后工作面片幫統(tǒng)計情況

由表2可以看出，對煤壁進(jìn)行加固治理后，對于周期來壓時期，片幫長度降低了47.4%，片幫深度減小了49.2%，片幫高度減小了42.2%；對于非來壓時期，片幫長度降低了58.1%，片幫深度減小了55.9%，片幫高度減小了70.1%，煤壁片幫控制效果顯著，表明了該技術(shù)對于煤壁片幫起到了很好的控制作用，可為類似情況的礦山提供借鑒與指導(dǎo)。

5 結(jié) 語

1) 大采高工作面煤壁片幫體為不規(guī)則“橢球形”，在垂直煤壁截面上呈現(xiàn)“C”形變化特征。

2) 大采高工作面煤壁極限穩(wěn)定高度與煤體容重成反比，與內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角成正比關(guān)系，對于容重一定的條件下，適當(dāng)?shù)脑黾用后w的內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦角，可有效保障煤壁的穩(wěn)定。

3) 研究提出了煤壁支護(hù)加固與注漿加固相結(jié)合的片幫控制方法，給出了支護(hù)及注漿相關(guān)參數(shù)。通過現(xiàn)場實(shí)施，對于周期來壓及非周期來壓兩個時期均取得了良好的片幫控制效果。