裴錦龍

(大同市煤礦安全監(jiān)管大隊，山西 大同 037000)

隨著煤礦開采設(shè)備的不斷發(fā)展，礦井規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在各大礦區(qū)涌現(xiàn)處理一批大采高工作面，而且采高不斷增大，在神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦已經(jīng)建立了8 m大采高工作面[1-2]. 然而在實際開采過程中，工作面片幫嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。本文以三道溝煤礦85201大采高工作面為背景，對工作面煤壁片幫機(jī)理及預(yù)注漿加固煤壁技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

三道溝煤礦位于陜西省府谷縣境內(nèi)，年產(chǎn)量1 000萬t，礦井主采煤層為5-2#煤層，煤層厚度5.48～5.95 m，平均5.5 m，埋深99～175 m,平均埋深為137 m. 85201工作面為5-2#一盤區(qū)首采工作面，采高5.5 m，傾角1°～3°. 工作面長度295 m，推進(jìn)長度為3 160 m，工作面選用ZY15000/5/65的液壓支架。煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度為3.5 m，基本頂為砂巖，平均厚度為21.5 m，直接底為砂巖，平均厚度8.0 m. 通過實驗室測定，煤層抗拉強(qiáng)度為2.62 MPa，抗壓強(qiáng)度為19.55 MPa，普氏系數(shù)為1.96，泊松比為0.24.在實際回采過程中，煤壁嚴(yán)重片幫，由于煤壁片幫導(dǎo)致工作面梁端距增大，極易造成工作面冒頂事故。

2 煤壁片幫機(jī)理

隨著工作面的不斷開采，工作面頂板的懸頂長度增大，工作面前方煤體內(nèi)的應(yīng)力平衡被打破，在煤體內(nèi)部產(chǎn)生了較大的集中應(yīng)力，當(dāng)集中應(yīng)力大于煤體抗壓強(qiáng)度時，就會發(fā)生片幫[3-5].

對于堅硬煤體的工作面，由于煤體本身堅硬，塑性變形能力有限，在頂板壓力及煤體自重的作用力P下在水平方向產(chǎn)生了一定的拉應(yīng)力，而煤體自身變形有限，難以抵消拉應(yīng)力的釋放。當(dāng)橫向拉應(yīng)力大于煤體抗拉強(qiáng)度時，煤壁發(fā)生拉裂破壞，造成煤壁失穩(wěn)，見圖1a). 此時滿足式 (1)：

R≥Rt

(1)

式中：

R—橫向拉應(yīng)力，MPa；

Rt—抗拉強(qiáng)度，MPa.

另外，當(dāng)煤壁橫向拉應(yīng)力大于煤體抗拉強(qiáng)度時，煤壁會發(fā)生鼓出式破壞,見圖1b).

圖1 煤壁破壞示意圖

對于松軟煤體來講，煤體在頂板及自重作用力P下在水平方向產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，由于煤體軟弱，能夠承受一定的變形，導(dǎo)致橫向拉應(yīng)力能夠通過煤體變形得到一定程度釋放，最終由于煤體內(nèi)剪應(yīng)力大于抗剪強(qiáng)度而發(fā)生剪切破壞，見圖1c). 由摩爾強(qiáng)度理論可知，煤壁高應(yīng)力作用下，首先發(fā)生剪切破壞，此時滿足式(2)：

τmax-τ≤0

(2)

式中：

τ—剪切應(yīng)力，MPa；

τmax—最大剪切應(yīng)力，MPa.

根據(jù)85201工作面現(xiàn)場觀測及煤體自身力學(xué)參數(shù)測定，該工作面煤體屬于松軟煤體，因此可以推斷該工作面煤體破壞主要為剪切破壞，煤壁上部為易片幫區(qū)域。理論分析與現(xiàn)場觀測吻合。

3 注漿加固方案

通過對85201工作面煤巖體進(jìn)行物理力學(xué)測定得，該煤體普斯系數(shù)為0.8～1.2，頂板屬于松軟破碎頂板。根據(jù)工作面采場力學(xué)可知，工作面應(yīng)力平衡由支架、煤壁、頂板共同組成，當(dāng)頂板或煤壁發(fā)生破壞整個工作面應(yīng)力平衡打破，煤壁穩(wěn)定性變差極易發(fā)生滑落。傳統(tǒng)的錨桿加固煤壁措施抗剪能力差，成本高，為有效控制工作面煤壁片幫，決定采用煤壁預(yù)注漿加固的方法來控制煤壁穩(wěn)定。

3.1 注漿技術(shù)方案

為了保證煤壁的穩(wěn)定性，根據(jù)煤壁片幫原理將注漿方案分為破碎頂板區(qū)域和煤壁靠上(距離頂板2 m)區(qū)域來進(jìn)行不同程度的注漿。破碎頂板區(qū)域主要采用單排挑頂?shù)淖{方式保證工作面頂板的穩(wěn)定性；煤壁靠上區(qū)域(距離頂板2 m)主要采用均壓注漿方式保證破碎煤體間的黏結(jié)性。具體布孔方式見圖2.

破碎頂板區(qū)域由煤壁向頂部打孔，傾角10°，孔間距3 m，孔深4 m. 煤壁靠上區(qū)域垂直于煤壁打孔，孔距頂板1.5 m，孔間距3 m，根據(jù)工作面日推進(jìn)度6 m，并結(jié)合注漿凝固時間綜合考慮，決定孔深為6 m.

圖2 注漿孔的布置圖

3.2 注漿材料選擇

注漿主要材料選用P.O42.5硅酸鹽水泥，水灰比(0.8～0.9)∶1，初次凝結(jié)時間控制在15 min以內(nèi)，采用該材料的主要原因為成本低，環(huán)保，凝固時間長，可以有效對破碎煤體起到凝結(jié)作用。

3.3 注漿壓力

注漿壓力為煤體注漿過程中重要的技術(shù)參數(shù)，注漿壓力過大，會導(dǎo)致本已破損的煤體破壞更加嚴(yán)重，注漿壓力過小又會出現(xiàn)漿液擴(kuò)散范圍減小，凝結(jié)效果差起不到加固煤壁的作用。

因此，煤壁注漿壓力可通過式(3)計算:

Ph=P0+(3～5)×0.1

(3)

式中：

Ph—煤體注漿壓力，MPa；

P0—煤體內(nèi)注漿點的靜水壓力，MPa，取2.5.

根據(jù)公式工作面注漿壓力選取2.8～3 MPa.

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

根據(jù)工作面現(xiàn)場觀測，對治理煤壁片幫前后，片幫頻次和深度進(jìn)行了對比，見圖3和圖4.

圖3 片幫頻次統(tǒng)計圖

由圖3可以看出，通過60天的觀測可知，治理后工作面煤壁片幫頻次明顯降低，治理前工作面片幫頻次最高為30次，平均每5天發(fā)生26次，治理后片幫頻次最高20次，平均每5天發(fā)生17次。由圖4可以看出，治理后工作面煤壁日片幫深度明顯改善，治理前最大日片幫深度1 302 mm，治理后降低為700 mm. 由此可以看出，經(jīng)過治理，工作面煤壁片幫得到了明顯改善，為安全生產(chǎn)提供了保障。

5 結(jié) 論

1) 通過對煤壁片幫機(jī)理進(jìn)行分析可知，對于堅硬及松軟煤體片幫破壞發(fā)生的形式不同，片幫發(fā)生的位置靠工作面中上部。

2) 根據(jù)煤壁片幫機(jī)理，針對工作面煤壁破碎頂板區(qū)域和煤壁靠上區(qū)域兩部分預(yù)注漿對煤壁進(jìn)行加固。

圖4 片幫深度統(tǒng)計圖

3) 根據(jù)現(xiàn)場觀測可知，注漿后工作面片幫頻次和日片幫深度均值較注漿前大幅降低，大采高工作面采用預(yù)注漿技術(shù)可以有效防治工作面片幫。