綜采工作面煤壁片幫控制措施研究

李子路

（霍州煤電集團(tuán)洪洞億隆煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041600）

引言

采煤綜采工作面在進(jìn)行正常回采作業(yè)時(shí)經(jīng)常發(fā)生煤壁片幫，使較大區(qū)域范圍的無支護(hù)空間在支架前方形成，如果頂板條件較差會(huì)造成該區(qū)域大面積的冒頂事故，從而造成頂板條件狀況更加嚴(yán)重，進(jìn)一步導(dǎo)致支架因受力不均勻而發(fā)生損壞，對(duì)井下施工安全造成嚴(yán)重影響，對(duì)作業(yè)過程中的員工生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。故采取相應(yīng)的控制措施降低煤壁片幫發(fā)生的概率，有利于為煤礦的生產(chǎn)作業(yè)安全提供保障。

霍州煤電集團(tuán)A礦208綜采工作面在正常回采作業(yè)中煤壁不穩(wěn)定、片幫現(xiàn)象發(fā)生概率較高，經(jīng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)30 d內(nèi)發(fā)生了84次煤壁片幫，不僅造成煤礦作業(yè)生產(chǎn)效率低下而且嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的生命安全。因此，研究分析煤壁片幫產(chǎn)生的原因以及制定切實(shí)可行的控制煤壁片幫的優(yōu)化措施十分有必要，有利于礦井的正常安全生產(chǎn)。

1 208綜采工作面概況

霍州煤電集團(tuán)A礦208綜采工作面所采的4號(hào)煤層，其煤層深度為450 m，厚度為3.15～4.1 m，平均厚度為3.75 m。煤層傾角為2°～9°，平均6°，煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，部分區(qū)域發(fā)育有偽頂其大部分為泥巖及炭質(zhì)泥巖，底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖和泥巖。參考巷道揭露資料，綜合研究分析208綜采工作面，該處工作面回采作業(yè)受層節(jié)理、裂隙發(fā)育情況制約。該工作面布置沿傾向，其傾向長度為200 m，推進(jìn)沿走向，走向長度為1 412 m。工作面共有型號(hào)為ZZ6000-20/42的液壓支架134臺(tái)，該支架的最大支護(hù)高度、最小支護(hù)高度及有效支護(hù)高度分別為4.2 m、2.0 m和3.8 m，其平均采高按照煤層高度、頂板巖性和“三機(jī)”配套確定為3.75 m。煤層厚度變化切割煤期間務(wù)必嚴(yán)格沿煤層頂?shù)装暹M(jìn)行，煤層變薄時(shí)，采高在2.2 m或以上煤層變厚時(shí)，沿穩(wěn)定標(biāo)志層留底或留頂割煤采高最高為3.8 m。該工作面進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)煤壁片幫發(fā)生頻繁，對(duì)煤礦作業(yè)的安全造成威脅[1]。

2 煤壁片幫的主要因素

針對(duì)208工作面煤壁片幫嚴(yán)重的現(xiàn)狀，通過試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)測(cè)試，理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，研究影響煤壁片幫的主要因素。

2.1 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

探究分析導(dǎo)致工作面煤壁片幫頻繁產(chǎn)生的原因，原位取芯工作面煤體，同時(shí)試件經(jīng)深加工后將其密封，并采用巖體力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其力學(xué)參數(shù)圍巖強(qiáng)度，如圖1所示，為其抗拉強(qiáng)度測(cè)試圖片。

圖1 煤體抗拉強(qiáng)度測(cè)試

結(jié)果表明：該試件的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力分別為1.8 MPa、6.24 MPa和1.36 MPa，內(nèi)摩擦角為22°，其內(nèi)部層理裂隙發(fā)育，表現(xiàn)為脆性，該工作面煤層質(zhì)軟、強(qiáng)度較低，煤壁對(duì)頂板的支撐作用較差。

2.2 采高的影響

根據(jù)煤層頂板圍巖情況可看出，該煤層頂板為復(fù)合頂板，且部分區(qū)域發(fā)育有偽頂，頂板整體易離層垮落。該工作面采高最高值為3.8 m，已垮落巖體無法為高部位的頂板提供有效支撐，無法形成砌體梁結(jié)構(gòu)，上覆巖層的絕大部分重量由煤壁和液壓支架一起承受，從而導(dǎo)致煤壁易發(fā)生片幫垮落現(xiàn)象。

2.3 支架工作阻力的影響

當(dāng)支架工作阻力過高時(shí)，容易造成煤層頂板由于被擠壓產(chǎn)生破裂；過低時(shí)，無法有效支撐頂板，造成頂板斷裂時(shí)回轉(zhuǎn)過度，煤壁承受的頂板壓力較大導(dǎo)致產(chǎn)生煤壁片幫。故選擇合適的阻力值有利于維持綜采工作面圍巖的安全穩(wěn)固。關(guān)于如何確定合適的支架工作阻力，則需理論計(jì)算其額定初撐力。

2.3.1 液壓支架初撐力理論計(jì)算

式中：P2為工作面頂板支護(hù)所需支架的工作阻力，kN；n為動(dòng)載系數(shù)，取1.5～2.0，周期來壓時(shí)取大值2.0，來壓不顯著時(shí)取小值1.5；∑h為采空區(qū)頂板跨落高度，∑h=M/（K-1），M為工作面采高，取3.75，K為巖石碎脹系數(shù)，取1.35，∑h=3.75/（1.35-1）=10.7 m；r為頂板巖石容重，取2.73 t/m3；s為支架最大控頂距時(shí)支護(hù)面積，取7.8 m2；g為重力加速度，取9.8 N/kg；a為煤層傾角，取平均值5°。

在式（1）中代入各參數(shù)，經(jīng)計(jì)算P2=5 561 kN，表明工作面液壓支架的初撐力至少為5 561 kN才能確保作業(yè)正常進(jìn)行。

2.3.2 液壓支架初撐力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為研究208綜采工作面液壓支架的初撐力設(shè)定是否合理，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了134架設(shè)備，如圖2所示為其監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖2 工作面液壓支架初撐力分布圖

從圖2中可看出，該工作面絕大部分液壓支架的初撐力在4 600～5 000 kN范圍之間，其次分布在5 000～5 400 kN之間，初撐力分布在6 000～6 400 kN之間的液壓支架數(shù)量最少，為液壓支架總數(shù)的3%，僅有4臺(tái)。初撐力分布在4 600～5 400 kN液壓支架數(shù)量最多，為液壓支架總數(shù)的82.1%，整體看來初撐力比理論計(jì)算結(jié)果要小[2]。

2.4 工作面推進(jìn)速度的影響

監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)，工作面每天的平均推進(jìn)速度為3 m/d，整體較慢，如果長時(shí)間不進(jìn)行回采會(huì)導(dǎo)致更多的頂板下沉量，從而造成煤壁對(duì)頂板的支撐壓力增加，同時(shí)煤壁在上覆巖層的重力下被壓壞，從而發(fā)生煤壁片幫現(xiàn)象。

3 煤壁片幫防治控制措施

1）提高工作面液壓支架初撐力，將其均調(diào)整至5 600 kN，通過支架與頂板的緊密接觸，加強(qiáng)支架對(duì)頂板的支護(hù)力，避免頂板過度離層的產(chǎn)生。

2）將工作面的日推進(jìn)速度從3 m/d加速到6 m/d，工作面的停產(chǎn)時(shí)間縮短，工作面頂板的懸露時(shí)間也隨之縮短。在工作面回采作業(yè)遇到煤層較薄或頂板較好的狀況下，可減慢回采速度，從而檢修采掘機(jī)。

3）針對(duì)綜采工作面前方的煤壁，采取超前注漿的措施，使煤層裂隙被漿液充分填滿，在其作用下原本破碎的煤體形成穩(wěn)固的整體狀況，使得工作面前方煤壁的整體強(qiáng)度明顯提升，從而使煤壁片幫現(xiàn)象減少。

4 煤壁超前注漿措施施工過程

4.1 注漿材料和性能

采用聚氨酯材料作為煤壁的注漿材料，主要是由兩種化學(xué)液體即多異氰酸酯和聚醚樹脂構(gòu)成，不僅對(duì)煤體具有較強(qiáng)的膠結(jié)力，而且穩(wěn)定性、可灌性和延性均較好，可以有效的將煤壁內(nèi)部裂縫和孔洞進(jìn)行充分填充，吸取部分能量同時(shí)使動(dòng)載程度減弱，減少發(fā)生煤壁片幫現(xiàn)象。

4.2 注漿壓力及注漿孔參數(shù)設(shè)定

在煤壁中將漿液沿著注漿孔充分注入，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)松散煤體明顯的膠結(jié)、充填作用效果，該過程中要保證注漿壓力充足，且不能過大，避免造成原生裂隙擴(kuò)展的更嚴(yán)重，注漿期間，設(shè)置注漿壓力為6～8 MPa，但特殊狀況下可臨時(shí)調(diào)整注漿壓力。同時(shí)，該過程中應(yīng)選用分序間隔注漿的方法，以避免漿液亂串現(xiàn)象的發(fā)生，確保漿液的滲透性[3]。

表1和圖3為注漿孔參數(shù)及注漿布置圖。

表1 注漿孔參數(shù)

圖3 注漿布置圖

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

綜采工作面采取煤壁片幫防治控制措施后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)其連續(xù)30 d內(nèi)的煤壁片幫狀況，下頁圖4和下頁圖5分別為優(yōu)化前后煤壁片幫的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。從下頁圖4中可看出，綜采工作面在未采取治理措施前，其在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的連續(xù)30 d內(nèi)，煤壁片幫現(xiàn)象總共發(fā)生了84次，片幫問題十分嚴(yán)重。但在進(jìn)行優(yōu)化管理后，煤壁片幫現(xiàn)象與優(yōu)化管理前相比降低了84.5%，煤壁片幫現(xiàn)象僅發(fā)生了13次，綜采工作面煤壁的穩(wěn)定性明顯提升。

圖4 優(yōu)化前煤壁片幫情況

圖5 優(yōu)化后煤壁片幫情況

6 結(jié)論

1）對(duì)于霍州煤電集團(tuán)A礦208綜采工作面煤壁片幫發(fā)生頻率高的問題，通過經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論計(jì)算、煤體力學(xué)參數(shù)測(cè)試等方法得知，其主要原因?yàn)槌鯎瘟Σ蛔?、回采速度較慢及煤體整體較為松散。

2）為有效控制煤壁片幫現(xiàn)象，采取如下治理措施：加快工作面回采速度由原來的3～6 m/d；提高支架初撐力至5 600 kN；將聚氨酯漿液注入煤體中。

3）對(duì)工作面進(jìn)行優(yōu)化管理后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)其30 d內(nèi)的煤壁片幫情況發(fā)現(xiàn)，片幫現(xiàn)象與優(yōu)化前相比降低了84.5%，結(jié)果表明，治理措施切實(shí)可行，工作面煤壁穩(wěn)定性明顯提升。