綜采工作面煤壁片幫防治技術(shù)研究

張宏鋼

(汾西礦業(yè) 曙光煤礦，山西 孝義 032300)

綜采工作面開采松軟不穩(wěn)定煤層，特別是回采區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，常出現(xiàn)煤壁片幫問題，輕則在一定程度上影響采面推進(jìn)速度，重則導(dǎo)致液壓支架咬架、甚至出現(xiàn)頂板垮落事故，給現(xiàn)場作業(yè)人員安全帶來嚴(yán)重威脅[1-3]。綜采面煤壁片幫與煤巖體物理力學(xué)性質(zhì)、煤層賦存條件、采面推進(jìn)速度、采高等有關(guān)[4-5]。國內(nèi)外眾多的研究學(xué)者對煤壁片幫發(fā)生機(jī)理以及防治技術(shù)展開研究，其中王家臣等[6]認(rèn)為采面回采時(shí)通過煤層注水可提高煤體自身抗剪強(qiáng)度及粘聚力，通過適當(dāng)增加液壓支架工作阻力、推進(jìn)采面推進(jìn)速度等有助于片幫防治；伊希文等[7]基于壓桿理論對煤壁撓度特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采面中上部煤體容易片幫，主要片幫類型有半煤壁片幫、整煤壁片幫，并提出增加支架工作面阻力、及時(shí)伸出護(hù)幫板、及時(shí)移架等措施降低片幫發(fā)生率。上述研究成果為煤壁片幫治理提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。文中以1228綜采工作面為工程實(shí)例，在對片幫原因分析的基礎(chǔ)上，針對性提出片幫治理措施，實(shí)現(xiàn)了采面安全高效生產(chǎn)。

1 工程概況

曙光煤礦1228綜采工作面位于5采區(qū)東側(cè)，采面回采6號煤層，埋深平均460 m，煤層傾角為3～8°，平均5°，煤層厚度3.2～5.6 m、平均4.0 m。6號煤層賦存較為穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層，中部含1～3層泥巖矸石，厚度為0.1～0.5 m；6號煤層較為松軟，硬度為0.4～0.8，頂板巖性以穩(wěn)定的細(xì)砂巖、灰?guī)r以及砂質(zhì)泥巖組成，底板巖層以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，具體6號煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)見表1。

表1 6號煤層頂?shù)装鍘r性

1228綜采工作面設(shè)計(jì)走向、傾向長分別為780 m、245 m，采面在推進(jìn)至220 m時(shí)出現(xiàn)不同程度煤壁片幫問題。其中采面傾向205～245 m區(qū)間(117～140號支架)位置煤壁片幫嚴(yán)重，最大片幫高度、深度分別為1.3 m、0.95 m，給采面煤炭安全回采帶來一定威脅。

2 采面煤壁片幫影響因素分析

1228綜采工作面開采范圍內(nèi)發(fā)育有多條斷層、煤巖體破碎帶等，采面回采過程中受多種因素影響，推進(jìn)速度相對緩慢。具體回采期間煤壁片統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1。

從圖中看出，采面傾向方向上205～245 m范圍內(nèi)煤壁片幫嚴(yán)重，同時(shí)越靠近機(jī)尾位置煤壁片幫程度越嚴(yán)重。文中從6號煤層賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造、采面回采等方面對片幫影響因素進(jìn)行分析。

1) 地質(zhì)構(gòu)造。采面回采巷道掘進(jìn)過程中揭露有DF02、DF05兩條斷層，采面與斷層斜交，斷層影響范圍主要為靠近機(jī)尾側(cè)，即采面傾向方向205 m以外位置。在斷層影響下煤層出現(xiàn)一定程度起伏。在采面靠近回風(fēng)巷位置，受到斷層影響，采面局部為仰斜開采，仰斜角平均為7°，采面仰斜開采時(shí)更容易出現(xiàn)片幫。

2) 煤體松軟。采面回采的6號煤層硬度為0.4～0.8，整體較為松軟，采面回采時(shí)煤壁容易出現(xiàn)片幫情況?，F(xiàn)場測定發(fā)現(xiàn)，煤壁片幫深度最大可達(dá)0.95 m。煤壁片幫給采煤回采安全以及頂板管理等均帶來較大影響。

圖1 回采期間煤壁片統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3) 煤層頂?shù)装鍒?jiān)硬。6號煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，基本頂巖性為堅(jiān)硬且穩(wěn)定的細(xì)砂巖、灰?guī)r，雖然采面直接頂隨采隨垮，但是由于基本頂堅(jiān)硬，在采空區(qū)內(nèi)懸空面積大，采面周期來壓步距平均達(dá)到26 m；周期來壓步距大容易導(dǎo)致采面前方煤體內(nèi)應(yīng)力集中程度增加，增加煤體破碎程度。采面前方煤體在采動(dòng)應(yīng)力作用下更容易出現(xiàn)片幫。

受地質(zhì)構(gòu)造、煤體松軟等因素影響，采面片幫問題較為嚴(yán)重，每天需要耗費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行處理。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，采面平均推進(jìn)速度僅為1.6 m/d，明顯低于設(shè)計(jì)開采速度2.4 m/d。采面推進(jìn)速度緩慢的主要原因?yàn)樯a(chǎn)時(shí)需耗費(fèi)大量的時(shí)間以及人力對片幫進(jìn)行管理、處理液壓支架咬架問題。因此，需要針對1228綜采工作面開采情況對煤壁片幫問題進(jìn)行針對性防治。

3 煤壁片幫防治技術(shù)

在對煤壁片幫因素分析基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)引起煤壁片幫的主要因素為采面開采的6號煤層煤體松軟、地質(zhì)構(gòu)造以及煤壁壓力集中(周期來壓步距較大、基本頂堅(jiān)硬)等因素，因此提高煤壁穩(wěn)定性以及降低地質(zhì)構(gòu)造、礦壓影響是實(shí)現(xiàn)片幫防治的關(guān)鍵。現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)可通過化學(xué)注漿提升煤體穩(wěn)定性及強(qiáng)度，優(yōu)化采面生產(chǎn)參數(shù)降低地質(zhì)構(gòu)造以及礦壓對煤壁片幫影響。

3.1 煤壁化學(xué)注漿

煤壁注漿選用的化學(xué)漿液為馬麗散，根據(jù)1228綜采工作面煤壁片幫及頂板破碎情況，發(fā)現(xiàn)采面90～117號支架間煤壁僅有局部位置破碎，片幫發(fā)生率不高，不需要進(jìn)行全程注漿。為此，提出在采面內(nèi)施工注漿孔對局部煤體破碎、容易片幫位置進(jìn)行加固。在采面90～117號支架間垂直煤壁施工注漿孔對煤壁進(jìn)行注漿，注漿孔間距控制在5～6 m，開孔位于煤壁中部，均有5°仰角。采面內(nèi)布置的注漿孔孔深均為6 m、鉆孔孔徑42 mm，鉆孔注漿壓力控制在2～3 MPa。

由于117～140號支架間煤體極容易片幫，若在采面內(nèi)進(jìn)行注漿勢必會(huì)影響采面正常推進(jìn)，為了減少注漿對采面生產(chǎn)影響，在回風(fēng)巷內(nèi)對117～140號支架前方煤體進(jìn)行預(yù)注漿，布置的注漿孔深度均為42 m，鉆孔垂直煤壁施工，鉆孔間距為5～6 m，鉆孔注漿壓力控制在5～8 MPa。

3.2 優(yōu)化采面生產(chǎn)參數(shù)

1) 增加液壓支架工作阻力。采面液壓支架咬架、死架頻繁發(fā)生的主要原因是液壓支架初撐力較低，液壓支架無法有效對頂板巖層進(jìn)行支撐，從而導(dǎo)致頂板出現(xiàn)一定下沉，采面前方煤體內(nèi)應(yīng)力集中程度增加，加大了采面煤壁片幫發(fā)生率。因此，可通過合理布置乳化液泵站位，減少乳化液泵送距離，并適當(dāng)增加乳化液泵送壓力，提升液壓支架工作阻力及初撐力。對液壓支架工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)壓力降低或者存在乳化液泄漏時(shí)，及時(shí)進(jìn)行修整并補(bǔ)充乳化液。強(qiáng)化液壓支架以及頂板管理，確保頂板下沉量在允許范圍內(nèi)。

2) 適當(dāng)降低采高。眾多研究成果以及現(xiàn)場實(shí)踐均表明，隨著采高增加，煤壁片幫程度呈明顯增加趨勢，適當(dāng)降低采高有助于維護(hù)煤壁穩(wěn)定。1228綜采工作面采高為4.0 m，煤壁嚴(yán)重區(qū)域可通過留底煤方式將采高降低至3.6 m。

3) 提升護(hù)幫板使用率。采煤機(jī)割煤后及時(shí)移架可有效控制煤壁片幫、漏頂；液壓支架前移后及時(shí)伸出護(hù)幫板支護(hù)煤壁，同時(shí)在超前采煤機(jī)1～2個(gè)支架收起護(hù)幫板，確保煤壁最大程度被護(hù)幫板支撐。

4 煤壁片幫治理效果分析

1) 片幫深度、頻次顯著降低。在1228綜采工作面采取片幫治理措施后，由于液壓支架工作阻力以及初撐力增加，使得采面前方煤體內(nèi)超前支承壓力峰值位置有所前移，采面煤壁受到支承壓力有所降低?；仫L(fēng)巷內(nèi)煤體超前注漿以及采面注漿均在一定程度上提升煤體自身穩(wěn)定性以及抗剪強(qiáng)度，采面回采過程中片幫深度、頻次均顯著降低，現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)煤壁最大片幫深度控制在0.3 m以內(nèi)，片幫基本不會(huì)給煤炭正?；夭蓭硗{。

2) 采面推進(jìn)速度明顯增加。在片幫治理措施應(yīng)用前，采面推進(jìn)速度平均穩(wěn)定在1.6 m/d，在回采期間需要耗費(fèi)大量的人力、物力、時(shí)間處理片幫、漏頂問題；采用片幫防治措施后，由于片幫強(qiáng)度及頻率明顯降低，基本不會(huì)出現(xiàn)由于片幫導(dǎo)致的漏頂事故發(fā)生，采面回采速度增加至2.4 m/d，采面煤炭月產(chǎn)量較片幫治理前增加約3萬t。

5 結(jié) 語

煤壁片幫不僅制約采面正常推進(jìn)，而且容易導(dǎo)致頂板漏矸，給現(xiàn)場作業(yè)安全以及頂板管理帶來較大影響?，F(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn)，1228綜采工作面煤壁片幫主要集中在117號～140號，片幫主要原因是采面仰斜開采、煤體松軟、礦壓顯現(xiàn)等。因此，提高煤壁穩(wěn)定性、降低礦壓是實(shí)現(xiàn)片幫治理的關(guān)鍵。

通過向煤體注入聚氨酯提高煤體穩(wěn)定性以及抗剪切能力，通過提升液壓支架初撐力及工作阻力、提升液壓支架護(hù)幫板使用頻率等措施強(qiáng)化頂板及煤壁支撐，降低煤體內(nèi)應(yīng)力集中對煤壁的影響?，F(xiàn)場應(yīng)用后，采面煤壁片幫程度明顯降低，片幫最大深度控制在0.3 m以內(nèi)，片幫基本不會(huì)給采面回采帶來影響。