松散煤層工作面煤壁高壓注水防片幫技術(shù)研究

盛 磊

（安徽省淮北礦業(yè)集團(tuán)蘆嶺煤礦，安徽 淮北 235000）

煤炭行業(yè)作為帶動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方面，其生產(chǎn)的安全性也尤為重要，據(jù)不完全資料統(tǒng)計(jì)，2009-2018年全國發(fā)生的8 類煤礦事故類型中，由于片幫、冒頂?shù)日T發(fā)的頂板事故造成的死亡人數(shù)相對(duì)較多，占總死亡人數(shù)的32.4%[1]。片幫、冒頂極易引起大塊煤巖體的垮落，片幫造成支架前端至煤壁間的空頂面積擴(kuò)大，在頂板壓力的作用下，容易發(fā)生冒頂事故，從而導(dǎo)致機(jī)器設(shè)備損壞和人員傷亡，給工作面生產(chǎn)造成巨大威脅，嚴(yán)重影響推進(jìn)速度和煤炭產(chǎn)量。尤其在松散厚煤層的開采中，由于此類煤層具有煤體、頂板、底板均較松散等問題，當(dāng)工作面采高較大時(shí)，前方煤體裂隙較為發(fā)育，極易出現(xiàn)支架插底嚴(yán)重、支架遷移困難，煤壁片幫、冒頂?shù)葐栴}[2-4]。

大量工程實(shí)踐表明，對(duì)含泥量較大的松散煤層進(jìn)行合理的注水能夠提高煤體的黏結(jié)性，有效減少工作面片幫、冒頂事故的發(fā)生[5-7]。國內(nèi)外不少專家和學(xué)者對(duì)煤層注水技術(shù)進(jìn)行了大量研究，并取得了較多具有指導(dǎo)意義的研究成果。王家臣教授[8]詳細(xì)分析了極軟煤層煤壁片幫與防治機(jī)理，提出通過減緩煤壁壓力和提高煤體抗剪強(qiáng)度的技術(shù)途徑來防治極軟煤層煤壁片幫。李國棟等[9]采用二維離散元分析軟件UDEC 在趙固二礦11011 工作面建立數(shù)值模型，通過模擬煤層注水，發(fā)現(xiàn)煤層應(yīng)力峰值會(huì)向深部推移，有利于維護(hù)工作面煤壁穩(wěn)定性，減少片幫。劉生優(yōu)等[10]等采用理論分析、數(shù)值模擬和相似模擬實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證的研究方法，分析并研究渦北礦“三軟”近距離81 和82 煤層的煤壁片幫原因及機(jī)理，創(chuàng)造性地提出了煤層動(dòng)壓注水技術(shù)，通過提高煤體的內(nèi)聚力，進(jìn)而提高抗剪強(qiáng)度和降低抗壓強(qiáng)度來達(dá)到治理煤壁片幫的目的，所在工作面取得了成功應(yīng)用。楊治國等[11]等采取深孔中壓注水后，超前增加了煤體中的水分，增加煤體整體性及抗壓能力，同時(shí)使松散的煤體固結(jié)在一起，充分銹結(jié)，增強(qiáng)了煤體整體黏結(jié)性，片幫區(qū)域大幅度減少。黃騰瑤等[12]通過COMSOL 數(shù)值模擬軟件，根據(jù)煤體含水率與水壓力之間的關(guān)系，將孔隙水壓達(dá)到1.5 MPa 作為煤體濕潤的界限，擬合出煤層不同注水壓力與濕潤半徑的指數(shù)型函數(shù)關(guān)系。本文將以淮北礦業(yè)集團(tuán)蘆嶺煤礦Ⅲ811 工作面為工程背景，依據(jù)已知的煤層賦存特征，研究松散煤層淺孔高壓注水技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤壁的穩(wěn)定控制。

1 工程背景

蘆嶺煤礦Ⅲ811 綜放工作面煤系地層為二疊系，該含煤地層為下石盒子組。根據(jù)Ⅲ811 工作面“三巷”揭露及地面勘探資料分析，工作面區(qū)域8 煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度3.33～14.75 m，平均煤厚8.25 m，煤層局部發(fā)育有一層夾矸；9 煤層賦存不穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，厚度0～4.25 m，平均煤厚1.21 m。Ⅲ811 工作面8 煤層直接頂為粉砂巖，厚0～10.78 m，平均3.99 m，老頂為粉砂巖夾泥巖，局部含菱鐵質(zhì)結(jié)核；8、9 煤層夾矸為泥巖和粉砂巖，厚0～3.68 m，平均夾矸厚度為0.59 m；工作面直接底為泥巖，厚0～6.33 m，平均3.48 m。Ⅲ811 綜放工作面煤層硬度系數(shù)f=0.16～0.53，全層極軟，總體表現(xiàn)為松散的狀態(tài)。

2 工程應(yīng)用

2.1 注水參數(shù)

采用風(fēng)鉆配合Φ42 mm、長1 m 的長螺旋鉆桿進(jìn)行打眼。鉆孔布置應(yīng)考慮煤層孔隙、透水性、工作面采高（2.5 m）及注水?dāng)U散半徑等因素，為了防止注入的壓力水從煤層頂板流出及滲入頂板裂隙中，鉆孔應(yīng)在煤壁中上部呈近水平角度布置。實(shí)測(cè)Ⅲ811 工作面鉆孔距底板高2 m，傾角向上1～5°，鉆孔間距7.5 m，鉆孔深度10 m，布置在兩支架護(hù)幫板之間，為防止工作面兩端煤壁片幫，工作面兩個(gè)端頭各留5 m，不布置注水鉆孔。注水參數(shù)與注水孔布置示意圖分別如表1 和圖1 所示。

圖1 注水孔布置示意圖

表1 工作面注水參數(shù)

2.2 封孔裝備及工藝

煤層注水效果很大程度上取決于封孔效果，蘆嶺礦Ⅲ811 工作面采用自動(dòng)膨脹式封孔器（如圖2）進(jìn)行封孔作業(yè)，封孔器長度為1 000 mm。順利完成封孔作業(yè)達(dá)到預(yù)計(jì)效果應(yīng)做到：

圖2 封孔器實(shí)物

（1）保證封孔器膨脹壓力不低于其開啟壓力，低于該壓力會(huì)引起噴嘴不出水，導(dǎo)致注水失敗。

（2）封孔器受壓力水作用后膨脹能緊貼注水孔，實(shí)現(xiàn)密封、不漏水。

2.3 注水效果

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，蘆嶺煤礦Ⅲ811 工作面煤樣原始含水率較低，僅有0.9%，工作面開采初期，未采用孔底高壓煤壁注水時(shí)，煤體脆性大、抗剪強(qiáng)度低，多發(fā)生煤壁片幫現(xiàn)象，且多發(fā)生于煤壁中上部。生產(chǎn)時(shí)每班都需要進(jìn)行大量支護(hù)作業(yè)，清理浮煤。采用孔底高壓煤壁注水后，工作面煤體含水率增加，相鄰注水孔中間的含水率增加到2.83%，煤體得到充分濕潤，高壓注水增加了煤體塑性和抗剪強(qiáng)度，提高了煤體整體穩(wěn)定性（如圖3 所示），減少了煤壁片幫、冒頂次數(shù)，有效地控制了煤壁穩(wěn)定性，同時(shí)也具有一定的降塵效果。

圖3 注水后煤壁情況

3 結(jié)論

（1）依據(jù)蘆嶺煤礦工作面煤層松散的實(shí)際情況，采用孔底注水，注水孔距離底板2 m，傾角向上1～5°，注水孔深度10 m，注水壓力為7.5 MPa，在不影響采煤機(jī)割煤、移架的情況下，注水孔布置在兩個(gè)支架護(hù)幫板的中間位置，即注水間距為7.5 m 時(shí)，且工作面兩端頭處各留5 m 不布置注水孔，在注水40 h（5 個(gè)檢修班）后，煤體注水后符合濕潤范圍要求。

（2）通過封孔器按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行注水，煤層相鄰注水孔中間的原始含水率由0.9%增加到2.83%，實(shí)際觀測(cè)后煤壁減少了片幫、冒頂次數(shù)，有效地控制了煤壁穩(wěn)定性，工程應(yīng)用效果較好。