综采工作面煤壁片帮防治技术研究

张宏钢

(汾西矿业 曙光煤矿，山西 孝义 032300)

综采工作面开采松软不稳定煤层，特别是回采区域内地质条件复杂时，常出现煤壁片帮问题，轻则在一定程度上影响采面推进速度，重则导致液压支架咬架、甚至出现顶板垮落事故，给现场作业人员安全带来严重威胁[1-3]。综采面煤壁片帮与煤岩体物理力学性质、煤层赋存条件、采面推进速度、采高等有关[4-5]。国内外众多的研究学者对煤壁片帮发生机理以及防治技术展开研究，其中王家臣等[6]认为采面回采时通过煤层注水可提高煤体自身抗剪强度及粘聚力，通过适当增加液压支架工作阻力、推进采面推进速度等有助于片帮防治；伊希文等[7]基于压杆理论对煤壁挠度特征进行分析，发现采面中上部煤体容易片帮，主要片帮类型有半煤壁片帮、整煤壁片帮，并提出增加支架工作面阻力、及时伸出护帮板、及时移架等措施降低片帮发生率。上述研究成果为煤壁片帮治理提供了经验借鉴。文中以1228综采工作面为工程实例，在对片帮原因分析的基础上，针对性提出片帮治理措施，实现了采面安全高效生产。

1 工程概况

曙光煤矿1228综采工作面位于5采区东侧，采面回采6号煤层，埋深平均460 m，煤层倾角为3～8°，平均5°，煤层厚度3.2～5.6 m、平均4.0 m。6号煤层赋存较为稳定，为全区可采煤层，中部含1～3层泥岩矸石，厚度为0.1～0.5 m；6号煤层较为松软，硬度为0.4～0.8，顶板岩性以稳定的细砂岩、灰岩以及砂质泥岩组成，底板岩层以粉砂岩、砂质泥岩为主，具体6号煤层顶底板岩性参数见表1。

表1 6号煤层顶底板岩性

1228综采工作面设计走向、倾向长分别为780 m、245 m，采面在推进至220 m时出现不同程度煤壁片帮问题。其中采面倾向205～245 m区间(117～140号支架)位置煤壁片帮严重，最大片帮高度、深度分别为1.3 m、0.95 m，给采面煤炭安全回采带来一定威胁。

2 采面煤壁片帮影响因素分析

1228综采工作面开采范围内发育有多条断层、煤岩体破碎带等，采面回采过程中受多种因素影响，推进速度相对缓慢。具体回采期间煤壁片统计结果见图1。

从图中看出，采面倾向方向上205～245 m范围内煤壁片帮严重，同时越靠近机尾位置煤壁片帮程度越严重。文中从6号煤层赋存条件、地质构造、采面回采等方面对片帮影响因素进行分析。

1) 地质构造。采面回采巷道掘进过程中揭露有DF02、DF05两条断层，采面与断层斜交，断层影响范围主要为靠近机尾侧，即采面倾向方向205 m以外位置。在断层影响下煤层出现一定程度起伏。在采面靠近回风巷位置，受到断层影响，采面局部为仰斜开采，仰斜角平均为7°，采面仰斜开采时更容易出现片帮。

2) 煤体松软。采面回采的6号煤层硬度为0.4～0.8，整体较为松软，采面回采时煤壁容易出现片帮情况。现场测定发现，煤壁片帮深度最大可达0.95 m。煤壁片帮给采煤回采安全以及顶板管理等均带来较大影响。

图1 回采期间煤壁片统计结果

3) 煤层顶底板坚硬。6号煤层直接顶为砂质泥岩，基本顶岩性为坚硬且稳定的细砂岩、灰岩，虽然采面直接顶随采随垮，但是由于基本顶坚硬，在采空区内悬空面积大，采面周期来压步距平均达到26 m；周期来压步距大容易导致采面前方煤体内应力集中程度增加，增加煤体破碎程度。采面前方煤体在采动应力作用下更容易出现片帮。

受地质构造、煤体松软等因素影响，采面片帮问题较为严重，每天需要耗费大量的时间进行处理。根据现场统计发现，采面平均推进速度仅为1.6 m/d，明显低于设计开采速度2.4 m/d。采面推进速度缓慢的主要原因为生产时需耗费大量的时间以及人力对片帮进行管理、处理液压支架咬架问题。因此，需要针对1228综采工作面开采情况对煤壁片帮问题进行针对性防治。

3 煤壁片帮防治技术

在对煤壁片帮因素分析基础上，发现引起煤壁片帮的主要因素为采面开采的6号煤层煤体松软、地质构造以及煤壁压力集中(周期来压步距较大、基本顶坚硬)等因素，因此提高煤壁稳定性以及降低地质构造、矿压影响是实现片帮防治的关键。现场应用时可通过化学注浆提升煤体稳定性及强度，优化采面生产参数降低地质构造以及矿压对煤壁片帮影响。

3.1 煤壁化学注浆

煤壁注浆选用的化学浆液为马丽散，根据1228综采工作面煤壁片帮及顶板破碎情况，发现采面90～117号支架间煤壁仅有局部位置破碎，片帮发生率不高，不需要进行全程注浆。为此，提出在采面内施工注浆孔对局部煤体破碎、容易片帮位置进行加固。在采面90～117号支架间垂直煤壁施工注浆孔对煤壁进行注浆，注浆孔间距控制在5～6 m，开孔位于煤壁中部，均有5°仰角。采面内布置的注浆孔孔深均为6 m、钻孔孔径42 mm，钻孔注浆压力控制在2～3 MPa。

由于117～140号支架间煤体极容易片帮，若在采面内进行注浆势必会影响采面正常推进，为了减少注浆对采面生产影响，在回风巷内对117～140号支架前方煤体进行预注浆，布置的注浆孔深度均为42 m，钻孔垂直煤壁施工，钻孔间距为5～6 m，钻孔注浆压力控制在5～8 MPa。

3.2 优化采面生产参数

1) 增加液压支架工作阻力。采面液压支架咬架、死架频繁发生的主要原因是液压支架初撑力较低，液压支架无法有效对顶板岩层进行支撑，从而导致顶板出现一定下沉，采面前方煤体内应力集中程度增加，加大了采面煤壁片帮发生率。因此，可通过合理布置乳化液泵站位，减少乳化液泵送距离，并适当增加乳化液泵送压力，提升液压支架工作阻力及初撑力。对液压支架工作状态进行监测，发现压力降低或者存在乳化液泄漏时，及时进行修整并补充乳化液。强化液压支架以及顶板管理，确保顶板下沉量在允许范围内。

2) 适当降低采高。众多研究成果以及现场实践均表明，随着采高增加，煤壁片帮程度呈明显增加趋势，适当降低采高有助于维护煤壁稳定。1228综采工作面采高为4.0 m，煤壁严重区域可通过留底煤方式将采高降低至3.6 m。

3) 提升护帮板使用率。采煤机割煤后及时移架可有效控制煤壁片帮、漏顶；液压支架前移后及时伸出护帮板支护煤壁，同时在超前采煤机1～2个支架收起护帮板，确保煤壁最大程度被护帮板支撑。

4 煤壁片帮治理效果分析

1) 片帮深度、频次显著降低。在1228综采工作面采取片帮治理措施后，由于液压支架工作阻力以及初撑力增加，使得采面前方煤体内超前支承压力峰值位置有所前移，采面煤壁受到支承压力有所降低。回风巷内煤体超前注浆以及采面注浆均在一定程度上提升煤体自身稳定性以及抗剪强度，采面回采过程中片帮深度、频次均显著降低，现场监测发现煤壁最大片帮深度控制在0.3 m以内，片帮基本不会给煤炭正常回采带来威胁。

2) 采面推进速度明显增加。在片帮治理措施应用前，采面推进速度平均稳定在1.6 m/d，在回采期间需要耗费大量的人力、物力、时间处理片帮、漏顶问题；采用片帮防治措施后，由于片帮强度及频率明显降低，基本不会出现由于片帮导致的漏顶事故发生，采面回采速度增加至2.4 m/d，采面煤炭月产量较片帮治理前增加约3万t。

5 结 语

煤壁片帮不仅制约采面正常推进，而且容易导致顶板漏矸，给现场作业安全以及顶板管理带来较大影响。现场分析发现，1228综采工作面煤壁片帮主要集中在117号～140号，片帮主要原因是采面仰斜开采、煤体松软、矿压显现等。因此，提高煤壁稳定性、降低矿压是实现片帮治理的关键。

通过向煤体注入聚氨酯提高煤体稳定性以及抗剪切能力，通过提升液压支架初撑力及工作阻力、提升液压支架护帮板使用频率等措施强化顶板及煤壁支撑，降低煤体内应力集中对煤壁的影响。现场应用后，采面煤壁片帮程度明显降低，片帮最大深度控制在0.3 m以内，片帮基本不会给采面回采带来影响。