綜采工作面煤壁片幫機(jī)理及控制技術(shù)

張 敏

（山西高平科興龍頂山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

綜采工作面在回采過程中，煤壁失穩(wěn)是常見的應(yīng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象。煤壁失穩(wěn)主要表現(xiàn)在煤壁片幫，煤壁片幫后不僅影響正常采煤機(jī)進(jìn)刀割煤，影響刮板輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)輸，而且煤壁片幫后端面空頂距加大，導(dǎo)致支架支護(hù)不及時(shí)，很容易出現(xiàn)頂板破碎垮落事故。傳統(tǒng)綜采工作面出現(xiàn)煤壁片幫現(xiàn)象時(shí)，主要采用及時(shí)移架、降低采煤機(jī)切割深度等措施，但是對(duì)于大面積片幫煤壁采用傳統(tǒng)技術(shù)措施控制效果差，不利于綜采工作面安全穩(wěn)定生產(chǎn)。本文以龍頂山9101 工作面為例，對(duì)工作面片幫機(jī)理進(jìn)行分析，并提出了合理有效的控制技術(shù)[1-5]。

1 概況

山西高平科興龍頂山煤業(yè)有限公司9101 工作面位于+901 m 水平910 采區(qū)，北、南、西三面均為實(shí)體煤，以東為運(yùn)輸大巷。9101 工作面設(shè)計(jì)走向長度為2317 m，傾向長度為180 m，工作面回采煤層為9#煤層，煤層平均厚度為1.6 m，平均傾角為4°。煤層頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，少量為細(xì)砂巖、鋁土泥巖，底板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，少量為細(xì)砂巖、粉砂巖。9101 工作面采用MG330/730-WD 型采煤機(jī)（滾筒截深為800 mm，滾筒直徑為1400 mm）割煤，刮板輸送機(jī)前移配合裝運(yùn)煤到橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、可伸縮皮帶輸送機(jī)運(yùn)出。采煤機(jī)進(jìn)刀方式為端頭斜切進(jìn)刀，進(jìn)刀距離為20 m。

2 工作面回采現(xiàn)狀及分析

2.1 回采現(xiàn)狀

9101 工作面回采至447 m 處位于14#支架前方煤壁揭露F7 斷層，斷層落差為1.5 m，傾角為48°，斷層與工作面煤壁夾角為51°，斷層從14#支架向頭部逐漸揭露，對(duì)工作面影響長度為44 m。

9101 工作面回采至450 m 處位于斷層上盤處煤壁出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象，煤壁片幫嚴(yán)重。當(dāng)工作面回采至458 m 時(shí)位于5#～14#支架前方煤壁最大片幫深度為2.3 m，片幫長度為6.0 m，片幫后煤壁成“滑坡”狀，導(dǎo)致端面空頂距達(dá)2.4 m，且支架無法及時(shí)支護(hù)。

2.2 煤壁片幫機(jī)理

（1）9101 工作面受F7 斷層影響破壞了原煤穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，構(gòu)造應(yīng)力在斷層裂隙處進(jìn)行卸壓釋放，導(dǎo)致兩盤煤體出現(xiàn)應(yīng)力擴(kuò)張破壞作用，兩盤煤體裂隙發(fā)育且向煤體內(nèi)部延伸，工作面在回采過程中在前方10～15 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生超前應(yīng)力區(qū)，超前應(yīng)力對(duì)裂隙煤體產(chǎn)生向工作面方向垂直煤壁的水平剪應(yīng)力破壞作用，從而導(dǎo)致煤壁片幫現(xiàn)象。

（2）工作面片幫后導(dǎo)致端面距加大，支架無法及時(shí)支護(hù)，頂板無法有效承載上覆巖體重力及回采應(yīng)力，端面頂板承載能力降低，頂板垂直應(yīng)力沿頂板向煤壁傳遞，造成煤壁產(chǎn)生垂直向下的剝離破壞作用，從而加劇了煤壁片幫力度。

（3）9101 工作面回采煤層厚度為3.6 m，工作面沿煤層底板進(jìn)行回采，回采高度為3.5 m。受F7斷層影響后，1#～14#支架前方煤體為斷層上盤，煤體上移，工作面在回采上盤煤體時(shí)，受采煤機(jī)割煤擾動(dòng)破壞作用，煤體成整體一次性片幫現(xiàn)象。

3 煤壁片幫控制技術(shù)

3.1 注漿加固

3.1.1 注漿加固機(jī)理

對(duì)斷層附近帶裂隙煤體高壓注漿，注漿液在裂隙帶內(nèi)滲透，進(jìn)行粘接凝固，對(duì)煤體裂隙進(jìn)行有效的填充和粘接，對(duì)裂隙煤體進(jìn)行二次重組，提高煤體整體穩(wěn)定性。注漿后的凝固體具有足夠的強(qiáng)度和韌性，保證了注漿后煤體具有高強(qiáng)度承載能力。

3.1.2 注漿材料選取

根據(jù)工作面煤壁破壞特征，決定采用雙液注漿材料，注漿液采用硫鋁酸鹽水泥熟料、石膏、石灰混合注漿液，其中三種骨料配比為：1:1:7。為了保證混合注漿液具有足夠的黏度、流動(dòng)性以及縮短漿液凝固時(shí)間，需在注漿液中添加減水劑、增稠劑、緩凝劑等添加劑，添加比例分別為1.0%、0.9%、0.6%。

3.1.3 注漿工序

（1）注漿鉆孔布置參數(shù)。工作面鉆孔采用淺深孔邁步式布置方式。深孔布置在距頂板1.0 m 處，鉆孔直徑為45 mm，深為6.0 m，鉆孔間距為3.0 m，鉆孔以45°仰角布置。深孔主要對(duì)工作面頂板進(jìn)行超前預(yù)注。淺孔布置在距頂板1.5 m 處煤壁上，鉆孔深度為3.0 m，直徑為45 mm，鉆孔間距為3.0 m，仰角為30°。淺深孔交錯(cuò)成邁步式布置，如圖1。

（2）注漿施工。注漿鉆孔施工完后，對(duì)鉆孔內(nèi)安裝注漿花管，埋入注漿軟管，并對(duì)鉆孔孔口處采用止?jié){塞封孔處理，注漿軟管與ZBQS 雙組分氣動(dòng)注漿泵連接進(jìn)行注漿施工，注漿壓力控制在1.5～2.0 MPa，注漿期間發(fā)現(xiàn)煤壁有漿液滲出時(shí)立即停止注漿。

3.2 聚氨酯梯形錨棚支護(hù)

由于9101 工作面直接頂主要以泥巖為主，工作面煤壁出現(xiàn)片幫后，端面空頂距加大，頂板承載能力降低，很容易出現(xiàn)頂板垮落，決定對(duì)端面頂板施工錨索吊棚支護(hù)。

（1）為了便于工作面回采后直接頂能夠一次性垮落，降低支護(hù)成本費(fèi)用，端面頂板施工的錨索吊棚主要由玻璃鋼加長錨桿、聚氨酯梯形梁、玻璃鋼托盤等部分組成。

（2）每架梯形錨棚配套三根玻璃鋼錨桿，錨桿長度為3.5 m，直徑為25 mm，錨桿抗拉強(qiáng)度為355 MPa。聚氨酯梯形梁長度為3.0 m，寬度為0.4 m，采用模具一次性澆筑而成。梯形梁具有較強(qiáng)的柔性，可適用大變形圍巖中。

（3）梯形錨棚沿工作面傾向布置，布置間距為1.5 m，相鄰兩排錨棚布置排距為2.0 m，且成交錯(cuò)式布置，如圖1 所示。

圖1 9101 工作面片幫煤壁聯(lián)合支護(hù)平面示意圖（mm）

4 效果

（1）對(duì)煤壁注漿加固后，控制了裂隙帶范圍擴(kuò)大，提高了煤體膠結(jié)穩(wěn)定性，削弱了煤體內(nèi)部剪應(yīng)力擴(kuò)張破壞作用和剝離破壞作用，減少了煤壁片幫。

（2）對(duì)端面頂板施工聚氨酯梯形錨棚支護(hù)，提高了端面頂板穩(wěn)定性，防止了因支架支護(hù)不到位，導(dǎo)致端面破碎嚴(yán)重、頂板垮落等事故發(fā)生。

（3）9101 工作面過F7 斷層影響區(qū)期間，煤壁片幫現(xiàn)象得到有效控制，最大片幫深度控制在0.6 m 以下，片幫長度控制在0.9 m 以下，端面距控制在0.5 m 以下，保證了工作面安全快速推進(jìn)。