候 燦

(潞安集團(tuán) 李村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046600)

隨著煤礦生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，以及采掘設(shè)備的更新優(yōu)化和井下施工管理水平的提升，大采高一次采全厚的采煤方法已普遍應(yīng)用，但是，隨著一次采出煤層厚度的增大，引發(fā)的煤壁片幫、端面冒頂事故也愈發(fā)嚴(yán)重[1-3]。本文以潞安集團(tuán)李村煤礦1302大采高工作面為背景，綜合理論分析和力學(xué)試驗(yàn)，提出了防治1302大采高工作面煤壁片幫的柔性加固技術(shù)，可為其他類似條件的大采高回采工作面提供借鑒。

1 工程背景

李村煤礦1302綜采工作面沿3號(hào)煤層走向布置，平均可采長(zhǎng)度765 m，切眼長(zhǎng)度220 m，可采面積168 300 m2。3號(hào)煤層屬下二疊統(tǒng)山西組下部，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變異程度較小，煤體以黑色、塊狀為主，粒狀次之，亮煤為主，夾鏡煤條帶，煤質(zhì)為貧煤，煤層傾角0～7°，平均4°，煤層厚度4.4～6.0 m，平均5.2 m。煤層頂?shù)装逄卣饕?jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

1302工作面采用走向長(zhǎng)壁一次采全厚后退式綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法處理頂板，工作面共選用ZY13000/28/62D中間支架123組、ZYG13000/28/62D過(guò)渡支架2組及ZYT13000/26/55D端頭支架6組，選用MG750/1940-WD型采煤機(jī)及SGZ-1000/3×1000型刮板輸送機(jī)進(jìn)行破煤、裝煤。

1302大采高工作面推進(jìn)過(guò)程中，由于采高較大，煤壁裸露面積較大，裸露時(shí)間較長(zhǎng)，在上覆頂板較大壓力及采煤機(jī)滾筒的外力作用下，出現(xiàn)了較嚴(yán)重的片幫現(xiàn)象，且據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)可知，煤壁片幫深度達(dá)到1 m以上，片幫高度達(dá)到2 m以上，對(duì)工作面正常推進(jìn)及工作面設(shè)備、人員均造成了嚴(yán)重危害。工作面煤壁片幫情況如圖1所示。

圖1 1302工作面煤壁片幫情況

2 柔性加固機(jī)理

針對(duì)1302工作面煤壁片幫情況，如果采用傳統(tǒng)的木錨桿加固，支護(hù)強(qiáng)度低、支護(hù)效果差；用化學(xué)注漿成本高、強(qiáng)度低、影響煤質(zhì)。因此提出以具有一定剛度、呈現(xiàn)柔性的棕繩為柔性材料的煤壁加固技術(shù)，即在大采高綜采工作面煤壁鉆孔安裝柔性棕繩，并通過(guò)注入漿液使其穩(wěn)定地附著于煤體內(nèi)形成全長(zhǎng)錨固，使其具有一定的伸長(zhǎng)率和一定剛度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)較厚煤體的加固。如圖2所示。此外，由于所選用的棕繩屬于柔性材料，故其能夠在一定程度上適應(yīng)工作面采動(dòng)引起的煤壁變形，同時(shí)還能夠阻止破碎煤塊的掉落[4]。

圖2 煤壁柔性材料加固技術(shù)

3 柔性材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證棕繩的實(shí)用性，對(duì)棕繩材料的抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率進(jìn)行力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，采用電液伺服拉力試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)直徑為18 mm、21 mm、24 mm的棕繩各進(jìn)行兩次拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 棕繩拉拔試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：直徑18 mm、21 mm、24 mm的棕繩平均抗拉強(qiáng)度分別為36 MPa、29.5 MPa、59.5 MPa，平均伸長(zhǎng)率分別為10.88%、7.64%、15.25%，由此可知，直徑為24 mm的棕繩抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率明顯高于其他兩種。而棕繩在漿液的全長(zhǎng)錨固作用下，其抗拉強(qiáng)度會(huì)明顯提高且大于煤壁煤體所受拉應(yīng)力，因此，采用柔性加固技術(shù)后，煤壁即使發(fā)生破壞，棕繩也能夠提供足夠拉力使煤體不滑落。

另外，棕繩柔性材料的伸長(zhǎng)率要大于普通錨索，且棕繩長(zhǎng)度一般為6～10 m，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于普通錨桿，這種柔性材料能夠適應(yīng)工作面煤壁大變形，抑制煤壁片幫、垮落。

4 工程應(yīng)用

李村煤礦1302工作面采高5.2 m，為控制工作面煤壁片幫及端部冒頂事故的發(fā)生，采用柔性棕繩+注漿的綜合技術(shù)加固煤壁。在工作面煤壁一半高度位置處進(jìn)行鉆孔，然后將柔性棕繩和注漿管捆綁送至鉆孔內(nèi)，采用波雷因注漿材料進(jìn)行鉆孔注漿加固，注漿壓力為3～5 MPa。注漿過(guò)程中，為防治漿液外漏，用紗布等包裹材料將注漿口堵死，注漿完畢后，形成了工作面煤壁全長(zhǎng)錨固的柔性加固方式，如圖3所示。

圖3 煤壁柔性加固工藝

根據(jù)柔性材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)，確定1302工作面推進(jìn)過(guò)正常段、構(gòu)造段、層理裂隙影響段的綜合煤壁柔性加固工藝優(yōu)化參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 煤壁加固與注漿參數(shù)

1302大采高工作面煤壁經(jīng)“柔性-注漿”加固技術(shù)后，煤壁片幫情況得到了有效改善，片幫深度及片幫高度均大幅降低。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得知，經(jīng)注漿加固后，煤壁片幫高度僅為0.5 m左右，較原先未加固時(shí)降低了75%左右，煤壁片幫深度降低為0.3～0.4 m，較未加固時(shí)降低了60%～70%。

綜上所述，柔性-注漿加固煤壁技術(shù)可有效治理大采高綜采工作面因采動(dòng)及大面積煤壁裸露引發(fā)的煤壁片幫事故，工作面推進(jìn)速度得到有效保證，工作面人員及設(shè)備安全也得到了保障。而且，柔性-注漿加固技術(shù)成本較低，同時(shí)彌補(bǔ)了以往木錨桿加固的低強(qiáng)度缺點(diǎn)及化學(xué)注漿加固的高成本、影響煤質(zhì)的缺點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 柔性棕繩經(jīng)注漿可使其穩(wěn)定地附著于煤壁煤體內(nèi)形成全長(zhǎng)錨固，同時(shí)使其具有一定的伸長(zhǎng)度及一定剛度；

2) 柔性棕繩直徑越大，其抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率提高越明顯；

3) 柔性-注漿加固煤壁技術(shù)可有效降低大采高工作面煤壁片幫深度及高度，從而抑制煤壁片幫事故的發(fā)生。