大采高仰采工作面煤壁片帮控制技术研究

马吉义

(晋能控股煤业集团 王庄煤业，山西 长治 047100)

在我国，大采高一次采全高工艺已经成为了各大矿区主要的开采工艺。大量实践表明，大采高工作面在实现工作面高产高效的同时，也出现了如矿压显现剧烈、煤壁片帮严重、运输机上窜下移严重、支架倒架等问题[1-2]。尤其对于仰采工作面，煤壁片帮更加严重，导致支架前梁接顶不严，易造成冒顶；片帮煤飞出运输机，易造成人员伤害,给矿井安全开采带来极大的隐患[3-4]。本文以王庄煤业3505大采高仰采工作面片帮治理为背景，通过分析工作面片帮原因，制定科学的防治措施，以保证矿井安全高效开采。

1 工程概况

王庄煤业位于山西长治市，主要开采3号煤层，其中3505工作面位于3号煤层35采区，煤层平均厚度4.85 m，，属松软厚煤层，煤层普氏系数f=0.7，煤层倾角1～11°，工作面形状为“刀把子”，工作面1号切眼段367.5 m，2号切眼段360.5 m，推进长度2 016.04 m。为仰斜开采，工作面布置216台ZY10000/26/55D液压支架。直接顶为泥岩，平均厚度2.75 m，基本顶为细粒砂岩，平均厚度6.00 m，直接底为砂质泥岩，平均厚度3.60 m。工作面回采过程中发生不同程度片帮，尤其在来压期间，常常出现大面积片帮现象，片帮深度500～2 000 mm，个别支架前出现了冒顶现象，直接影响到了工作面安全生产。

2 煤壁片帮机理

随着工作面的不断推进，顶板发生周期性垮落，当顶板发生弯曲变形，打破了工作面前方煤体内的应力平衡，尤其顶板临近断裂极限时，在煤体内部产生较大应力集中，集中的应力将产生能量集聚，当能量集聚到一定程度时，发生释放，造成工作面片帮、炸帮。煤壁片帮形式大致分为3种，见图1[5]。当工作面前方煤体内部产生的横向拉应力超过自身的抗拉强度时，工作面发生图1(a)垮落式片帮；当工作面煤壁产生的横向拉应力超过煤体抗拉强度时，工作面发生图1(b)鼓出式片帮；当工作面煤体内剪应力大于自身抗剪强度时，工作面发生图1(c)滑落式片帮。由于王庄煤业3号煤层属于松软煤层，抗剪强度较低，结合现场实际情况，3505工作面的片帮为滑落式片帮，煤壁破坏主要为剪切破坏，煤壁上部区域易发生片帮。

图1 煤壁破坏示意

对于3505工作面而言，仰采无疑是造成工作面片帮严重的又一原因。在工作面回采过程中，由于仰采角度大，造成液压支架不能有效接顶，会造成煤壁前方一定范围内长时间空顶，不能及时有效支护，在顶板压力及自身重力影响下，极易发生片帮。

3 煤壁片帮注浆加固技术

3.1 注浆加固原理

注浆加固技术是当前治理煤壁片帮最常用的技术之一。通过对工作面前方煤体注入注浆材料，一方面利用注浆材料的粘结性能，将受到采动影响下破碎煤体内部裂隙重新胶结，增大岩体内部块间相对位移的阻力,形成承载结构，增强煤体的强度；另一方面注入的浆体材料在煤体内部形成一定的结构，对煤体起到了一定的锚固作用，可以在一定程度上降低工作面煤壁片帮深度。

3.2 注浆钻孔布置

结合现场及钻孔条件，距离底板1.5 m的位置布置1排注浆钻孔，距离顶板1.5 m的位置布置1排注浆钻孔，两排注浆钻孔按三花布置。注浆孔孔径42 mm，钻孔孔深8 m，注浆孔的仰角为15°，封孔深度为2 m。(现场注浆时，注浆孔的具体位置及注浆孔的参数根据现场实际情况进行适当调整)。工作面注浆孔布置如图2所示。注浆孔外面接注射管，再接封孔器，里面接花管。因煤层裂隙非常发育，单孔注浆量较大，暂定每孔注浆量在120桶左右。

3.3 注浆材料

本次注浆使用化学加固材料马丽散NS对煤层进行预注浆加固，浆液在普通裂隙开度和孔隙率下的扩散半径为1～1.5 m，开始注浆到浆液完全扩散或渗透到被注载体中所需要的时间一般为10～20 min，注浆时最大注浆压力可达17～20 MPa，完全可以满足注浆提升煤体强度及完整性的目的。

图2 工作面注浆孔布置示意

3.4 注浆工艺

注浆设备及注浆工艺如图3所示，将树脂和催化剂两种材料按照1∶1吸入气动注浆泵中，由ZQBS-8.4/12.5注浆泵产生高压分别将两种材料通过高压胶管送入专用注射枪，并在注射枪内实现混合后注入煤体中，最后进行封孔。在一个循环注浆完毕后，工作面推进距离不能超过5 m，需进行下一个循环的注浆，直至工作面煤壁和顶板转好，工作面正常推进。

图3 注浆工艺

3.5 其他辅助措施

1) 保证支架支护质量，保证支架端面距达到规定值，拉架完成后及时升紧支架，确保支架达到规定初撑力，及时打出护帮板。

2) 提高工作面推进速度，尤其工作面来压过程中，提高甩压速度，最大程度减少压力持续时间。

4 片帮治理效果分析

为了分析注浆治理工作面片帮效果，特对注浆前后在来压期间煤壁片帮最大深度及片帮深度超过500 mm的频率进行了分析，如图4、图5所示。 由图4可知注浆前来压期间煤壁片帮最大深度达1 080 mm，明显要大于注浆后的787 mm，而且注浆前片帮深度较大，充分说明3505工作面来压期间煤壁片帮严重，在实施注浆加固措施后，片帮深度明显降低。由图5可以看出，在注浆之后周期来压期间片帮深度超过500 mm的频率明显低于注浆前，煤壁片帮治理效果显著。

5 结 语

1) 通过对工作面煤壁片帮机理进行分析，结合现场片帮形态，确定3505工作面煤壁片帮属于滑落式片帮，其形成的破坏主要为剪切破坏，破坏易出现在上部区域。

2) 结合现场实际情况，采用了注浆加固对煤壁片帮进行治理，并对钻孔布置、注浆材料、注浆工艺等相关参数进行了设计，并在现场实施。

3) 通过对注浆前后周期来压期间片帮最大深度及超过500 mm的频率分析，注浆加固对于工作面片帮治理效果显著。