大采高工作面煤壁片幫漏頂控制技術研究

李 偉

（晉煤集團趙莊二號井，山西 長治 046600）

1 工程概況

趙莊二號井1305 采煤工作面位于趙莊二號井東盤區(qū)，走向長660 m，傾向長160 m，煤厚5.8 m。工作面裝備7LS7-LWS923 電牽引雙滾筒采煤機，采高3.85～6.365 m；中部選用ZY13000/28/63D 型支架，控頂距4950～5750 mm，支架全部使用電液控制系統(tǒng)進行控制。由于工作面采高較大，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)片幫、漏頂問題，制約采面生產(chǎn)。因此，需要對回采工作面煤壁片幫、頂板漏頂原因進行分析，并采取針對性的防治措施，確保采面生產(chǎn)安全。

2 煤壁片幫、漏頂原因分析及注漿時機確定

2.1 大采高工作面煤壁片幫、漏頂原因

1305 工作面在通過JDX16 陷落柱后的回采過程中，工作面40～70#架、80～100#架范圍內(nèi)不同程度出現(xiàn)煤幫松軟片幫情況，并伴有局部漏矸現(xiàn)象。82～90#架煤幫片幫嚴重，片幫深度達到0.8～1.2 m，頂板大量漏矸，平均在0.8 m?，F(xiàn)場采用人工掏煤幫方式，掏出空間后拉架維護頂板，嚴重制約正常生產(chǎn)。

結合地質(zhì)條件分析，1305 工作面煤壁片幫、漏頂現(xiàn)象原因主要有以下三點：

（1）地質(zhì)條件因素

1305 工作面80～100#架處煤層為軟煤區(qū)，煤層節(jié)劈理發(fā)育，煤層松軟破碎。直接頂為厚10.78 m粉砂質(zhì)泥巖，巖層強度不高。

（2）設備因素

采煤機震動易導致片幫。80～100#架區(qū)域割下部煤時，采煤機震動導致煤幫劈幫，頂煤從架前漏空，上部直接頂破碎漏頂，且多為50～300 mm 塊狀碎矸，大塊矸較少，架前頂板無法自行穩(wěn)定，直至漏矸處堆成錐形堵住漏矸處。

（3）采動影響

在1305 工作面開采推進過程中，受采動影響，圍巖支承應力不斷變化，礦壓顯現(xiàn)劇烈[1]。頂板易形成懸臂梁結構進而發(fā)生破斷[2]，周期來壓步距在18 m，在80～100#支架來壓明顯，來壓時支架阻力最高達到42 MPa，動載系數(shù)為1.5，支架活柱累計壓縮量為0.4～0.6 m，此時煤壁就可能出現(xiàn)片幫、漏頂問題[3]。

2.2 注漿加固時機確定

注漿加固是防治煤壁片幫、頂板漏頂?shù)某Ｓ眉夹g手段，注漿加固主要作用是改善煤、巖體力學性質(zhì)，增加煤、巖體移動時的阻力。通過注入的漿液粘結、凝固作用，使得破碎煤、巖體再次膠結，封閉煤巖體間裂隙，防止水、空氣等進入，減少水、空氣對煤巖強度影響[4]。

圖1 1305 采面超前壓力分布情況

在采動以及超前壓力影響下，煤、巖體內(nèi)部的孔隙率增加，發(fā)育的裂隙為注漿漿液擴展提供了通道。若裂隙不發(fā)育，孔隙率過低，則容易引起注漿困難，因此，需要合理地選擇注漿時機[5]。具體1305 采面注漿時機選取應根據(jù)采面裂隙發(fā)育情況、超前支承壓力分布以及注漿可注性確定。1305 采面超前壓力分布情況如圖1 所示。

從圖中可以看出，超前支承壓力影響范圍為采面前方55 m，劇烈影響范圍為采面前方20 m，支承壓力峰值位于采面前方9 m 處。根據(jù)采面超前支承壓力分布情況，按照應力值大小可具體分為4 個區(qū)域，具體各個區(qū)域的范圍劃分、裂隙發(fā)育以及煤體可注性分析結果見表1。

表1 不同區(qū)域注漿可注性分析

從表中可以看出，在采面前方20～55 m 范圍內(nèi)進行注漿加固較為合適，但是距離采面過遠時裂隙擴展性較差。因此，最終確定的注漿時機為采面前方20～40 m 范圍。

3 注漿鉆孔布置設計

大采高回采工作面生產(chǎn)任務繁重，采面內(nèi)設備以及人員數(shù)量多，就注漿效果而言在采面內(nèi)布置走向注漿鉆孔效果最佳，但是深孔注漿設備多、工序繁雜，注漿會給采面正常生產(chǎn)帶來影響。綜合考慮，決定在回采巷道內(nèi)布置傾向鉆孔進行注漿，即注漿鉆孔方向與采面方向垂直，具體如圖2 所示。

圖2 傾向注漿鉆孔布置示意圖

3.1 注漿參數(shù)

在1305 采面回采巷道內(nèi)施工的注漿鉆孔深度為60 m，具體1305 回風巷、進風巷內(nèi)各提前采面300 m 施工注漿鉆孔，但不注漿，待到最佳注漿時機后，用高壓注漿泵對注漿鉆孔進行注漿。在回采巷道內(nèi)布置的兩排注漿鉆孔孔徑為75 mm，間距為10 m，成三花眼布置方式。下排鉆孔位于底板上方1 m 處，傾角1°，上排鉆孔距巷道底板3 m，傾角2°。具體鉆孔布置方式如圖3 所示。

圖3 回采巷道內(nèi)注漿鉆孔設計示意圖

3.2 注漿材料

注漿采用加固1 號（水灰比=0.6:1），漿液的擴散半徑可以達到5～8 m，同時注漿加固后煤體強度得以提升，可以滿足提升煤、巖體強度目的。注漿時注漿壓力選取為20～25 MPa。

3.3 注漿系統(tǒng)

回采巷道內(nèi)深孔注漿設備及注漿系統(tǒng)如圖4所示，包括兩個型號QB260 攪拌桶，1 臺型號ZBYSB190/32-55 高壓注漿泵，1 個盛漿泵及輔助的高壓注漿軟管、混合器等。在具體注漿時，一般區(qū)域注漿壓力選擇為20～25 MPa，當煤巖體較為破碎或者注漿時漏漿嚴重情況下可以將注漿壓力降低至15～20 MPa。

圖4 注漿系統(tǒng)構成

3.4 其他輔助措施

（1）控制采面端面距，提高支架工作阻力，便于及時維護采面頂板，保持液壓支架和圍巖穩(wěn)定。采煤機割煤后及時伸出前梁擋板支撐煤壁。

（2）適當提升采面回采推進速度，強化現(xiàn)場頂板及煤壁管理，將頂板漏頂或者煤壁片幫控制在萌芽階段。

4 效果分析

4.1 注漿量

在1305 采面進、回風巷內(nèi)均施工13 個注漿鉆孔，總鉆進深度分別為1530 m、1510 m，消耗注漿材料分別為245 t、232 t。其中進風巷， 5 號注漿孔注漿量達到32 t；回風巷單孔平均注入注漿材料重量為17 t，8 號注漿鉆孔注漿量達到26 t。

4.2 效果考察

在回采巷道內(nèi)進行的60 m 注漿段共耗時12 h，注漿未對采面正常生產(chǎn)帶來影響。采面回采推進至注漿加固范圍內(nèi)時，大部分區(qū)域內(nèi)煤壁較為平直，頂板完整性較好，采面在注漿加固區(qū)域內(nèi)回采時共出現(xiàn)1 次小規(guī)模片幫，深度在800 mm；2 次漏頂，漏頂量均在1000 mm 以內(nèi)。相對于未采取注漿時，采面注漿加固后較加固前煤壁片幫以及頂板漏頂發(fā)生率降低80%以上，現(xiàn)場取得顯著應用效果。具體注漿前后采面回采時煤壁對比情況如圖5 所示。

圖5 注漿效果

5 結語

（1）根據(jù)1305 采面開采時引起的超前支承壓力分布情況、裂隙擴展情況等確定注漿加固時機，超前采面20～40 m 范圍時注漿加固效果較為明顯。

（2）根據(jù)采面生產(chǎn)情況，將注漿鉆孔布置在回采巷道內(nèi)，確定了注漿鉆孔參數(shù)、注漿量。

（3）注漿完成后，采面煤壁片幫及頂板漏頂情況得以顯著改善，相對于注漿前，注漿后的回采工作面煤壁片幫、頂板漏頂發(fā)生率降低幅度達到80%以上，確保了1305 大采高回采工作面的生產(chǎn)安全。