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        厚煤層綜放工作面煤壁片幫機(jī)理及防片幫技術(shù)研究與應(yīng)用

        2019-09-09 07:09:32
        煤礦現(xiàn)代化 2019年6期
        關(guān)鍵詞:煤壁片煤壁煤體

        武 利

        (山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 左權(quán) 032600)

        1 工程概況

        石港公司15109綜放工作面,位于913水平一采區(qū),石港公司井底車(chē)場(chǎng)以南,15111工作面以西,15108工作面以東,工作面傾斜長(zhǎng)度150m,走向長(zhǎng)度1172m,所采煤層為15#煤,煤層均厚6.62m,平均傾角12°,煤層賦存穩(wěn)定,較為軟弱,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,一般含夾石3層,直接頂為泥巖與14#煤,均厚5.76m,基本頂為石灰?guī)r,均厚6.09m,直接底為泥巖,均厚1.17m,基本底為鋁土泥巖,均厚5.15m。15109工作面采用走綜采放頂煤采煤法,平均采高為2.4m,放煤高度為4.22m,循環(huán)進(jìn)度為0.6m,在工作面回采過(guò)程中出現(xiàn)煤壁片幫情況,故需采取有效措施以控制煤壁片幫。

        2 厚煤層煤壁片幫機(jī)理

        松軟厚煤層在上覆巖層壓力及煤體自身自重應(yīng)力的作用下,會(huì)在煤壁處產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力,煤層在拉應(yīng)力的作用下會(huì)沿著煤壁豎直方向產(chǎn)生蠕動(dòng)彎曲變形或橫向位移,當(dāng)煤壁內(nèi)部受到的剪應(yīng)力大于煤體所能承受的抗剪強(qiáng)度時(shí)便會(huì)發(fā)生壓剪破壞,煤壁的破壞形式均為一個(gè)不穩(wěn)定的滑動(dòng)體,故針對(duì)滑動(dòng)體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及受力狀態(tài)進(jìn)行具體分析,能夠?qū)⒒⌒位瑒?dòng)面簡(jiǎn)化為平面,煤壁發(fā)生剪切破壞時(shí)最大主應(yīng)力與剪切破壞面之間的夾角為π/4+φ/2[1-2],用h表示剪切面的破壞高度,B表示煤壁的破壞深度,據(jù)此能夠得出煤壁發(fā)生剪切破壞的力學(xué)模型如圖1所示。

        圖1 煤壁剪切破壞力學(xué)模型圖

        根據(jù)工作面煤壁的所處的狀態(tài),采用?表示煤壁安全余量,煤壁安全余量?為滑動(dòng)體所受的抗剪力D與滑動(dòng)力S之間的差值,據(jù)此能夠得出煤壁片幫的判定準(zhǔn)則為:

        式中:Δ為煤壁安全余量;S為剪切面抗滑力,N;D為剪切面的抗滑力,N;,結(jié)合圖1與式(1)能夠推導(dǎo)得出松軟煤壁所處狀態(tài)的表達(dá)式為:

        式中:h為剪切面的破壞高度,m;C為煤體的粘聚力,MPa;N為剪切面上的法向力,N;φ為煤體的內(nèi)摩擦角,°;α為剪切面預(yù)最大主應(yīng)力的夾角,°;qT為載荷的集度,kN/m;P 為頂板壓力,kN;W為煤壁破壞體的自重,kN;l為護(hù)幫板的高度,m;式中其余符號(hào)的含義同上。

        當(dāng)假設(shè)煤壁破壞體的厚度為1時(shí),,則能夠推導(dǎo)出破壞體的自重W、頂板壓力P及護(hù)幫板水平護(hù)幫力T的表達(dá)式分別如下:

        式中:T為護(hù)幫板的水平護(hù)幫力,kN;γ為煤體的容重kN/m3;qp為載荷集度,kN/m;其余符號(hào)的含義同上,將式(3)代入到式(2)中能夠得出煤壁安全余量?的表達(dá)式如下:

        通過(guò)具體分析式(3)能夠得出當(dāng)煤壁安全余量Δ<0時(shí),此時(shí)煤壁便會(huì)發(fā)生破壞,煤壁發(fā)生弧形破壞主要受到水平護(hù)幫力、頂板壓力及煤體自身物理力學(xué)特性的影響,故基于此可知為有效的防治煤壁片幫現(xiàn)象的出現(xiàn),應(yīng)盡可能的提高護(hù)幫板的水平護(hù)幫力、減小頂板壓力活通過(guò)提高煤體內(nèi)摩擦角和粘聚力等煤體物理參數(shù)從而有效的提高煤體的抗剪強(qiáng)度,保證煤壁的穩(wěn)定性。

        3 防片幫技術(shù)設(shè)計(jì)

        15109工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)部分段地質(zhì)條件差,且臨近側(cè)15108工作面開(kāi)采擾動(dòng)等因素影響,工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)煤層松軟較破碎,導(dǎo)致工作面煤壁偏幫嚴(yán)重,偶有漏頂發(fā)生,針對(duì)這種情況,提出優(yōu)化綜采工藝和采前預(yù)注漿等綜合性措施來(lái)保障工作面煤壁的穩(wěn)定性,具體煤壁片幫的控制技術(shù)措施及各項(xiàng)參數(shù)如下:

        3.1 優(yōu)化綜采工藝

        1)提高液壓支架的初撐力及工作阻力:15109工作面回采作業(yè)時(shí)偶有出現(xiàn)液壓支架咬死的情況,出現(xiàn)這種情況的主要原因?yàn)橹Ъ艿某鯎瘟αζ?,頂板下沉量大,?dǎo)致支架未能夠?qū)敯寮皶r(shí)的增阻支護(hù),使得頂板的下沉量增大,從而出現(xiàn)片幫咬架的現(xiàn)象,故通過(guò)提高支架的初撐力及工作阻力,及時(shí)打開(kāi)側(cè)護(hù)板,在一定程度上控制煤壁片幫和咬架現(xiàn)象。

        2)及時(shí)伸出前探梁,帶壓移架:采煤機(jī)割煤后,及時(shí)伸出前探梁,避免頂板冒落,帶壓擦頂移架,及時(shí)支持下降的頂板,降低煤壁支撐壓力,工作面端頭支架移架后,應(yīng)立即打開(kāi)護(hù)幫板,支撐工作面煤壁。

        3)在合理范圍內(nèi)降低采煤機(jī)的割煤速度,并在采煤機(jī)停機(jī)前進(jìn)行拉移超前架的作業(yè),據(jù)此能夠有效控制部分煤壁片幫的漏頂情況出現(xiàn)。

        3.2 煤壁注漿加固

        根據(jù)15109工作面煤壁的片幫的具體情況可知,工作面回采作業(yè)時(shí),在3~15#支架間的煤壁的片幫情況較為嚴(yán)重,故在此區(qū)域?qū)γ罕谶M(jìn)行注漿加固作業(yè),注漿材料使用馬麗散,具體煤壁注漿加固的各項(xiàng)參數(shù)如下:

        1)注漿材料。本次工作面防煤壁片幫使用的注漿材料為馬麗散,馬麗散為一種雙組分合成的高分子聚亞胺膠材料,其具體黏度低的特點(diǎn),馬麗散能夠在自身膨脹作用和注漿泵機(jī)的高壓作用下,充填到破碎煤巖體的裂縫和空隙內(nèi),能夠有效的將破碎的煤巖體膠結(jié)為一個(gè)整體[3-4]。

        2)注漿孔布置。15109工作面的煤壁的注漿鉆孔采用單眼平行的布置方式,鉆孔在布置工作面3~15#支架側(cè),注漿鉆孔的間距為6~7m,鉆孔垂直與煤壁打設(shè),設(shè)置注漿鉆孔孔徑為42mm,鉆孔的深度為5.0m,鉆孔的開(kāi)孔高度距離底板0.8m,具體煤壁注漿鉆孔的布置位置如圖2所示。

        3)注漿施工工藝。在進(jìn)行工作面煤壁的單孔注漿作業(yè)時(shí),其具體流程如下:在需加固位置用鉆機(jī)按設(shè)計(jì)打設(shè)注漿鉆孔,鉆頭φ42mm,孔深5m;安裝注漿花管,并在孔口進(jìn)行有效的封孔后;封孔后1~2h后進(jìn)行開(kāi)泵注漿作業(yè);待注漿完畢后,停泵,卸壓,移至下一個(gè)注漿孔,單孔注漿結(jié)束。

        圖2 注漿鉆孔布置示意圖

        4)單孔注漿量。為充分保障15109工作面在注漿加固作業(yè)后煤壁的穩(wěn)定性,現(xiàn)進(jìn)行各個(gè)鉆孔的注漿作業(yè)時(shí)應(yīng)保證注到不吃漿為止。具體每個(gè)注漿孔的漿液消耗量可通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算:

        式中:Q為注漿鉆孔的漿液注入量,m3;β為圍巖的裂隙率,取1%~5%;L為鉆孔長(zhǎng)度方向加固區(qū)域的厚度,m;λ為漿液的充填系數(shù);R為漿液的有效擴(kuò)散半徑,m;A為漿液的消耗系數(shù),取1.2~1.5。根據(jù)15109工作面的具體情況取β=3%,A=1.3,R=3m,λ=1;據(jù)此能夠大致計(jì)算單孔注漿量為4.4m3。

        4 效果分析

        為對(duì)回采工作面采用上述防片幫技術(shù)后的效果進(jìn)行有效分析,將工作面采用優(yōu)化采煤工藝+注漿加固后的防片幫技術(shù)后煤壁片幫的深度、長(zhǎng)度與工作面未采用防片幫技術(shù)前進(jìn)行對(duì)比分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。在工作面開(kāi)采初期,工作面煤壁并未采用防片幫技術(shù),此時(shí)塑性區(qū)的煤體較為松散破碎,煤壁的整體抗剪強(qiáng)度低,此時(shí)煤壁的易于出現(xiàn)冒頂及片幫情況,煤壁未采用防片幫技術(shù)前,平均的片幫深度為0.6m,最大片幫深度為1m,煤壁未采用防片幫技術(shù)前,煤壁的最大片幫長(zhǎng)度25m,占到工作面長(zhǎng)度的16.7%左右;在工作面采用優(yōu)化后的采煤工藝+煤壁注漿防片幫技術(shù)后,有效的提高了工作面煤壁煤體的塑性和粘接性,減小了頂板壓力,增強(qiáng)了煤體的整體性,在極大程度上緩解了煤壁易冒頂、片幫的情況,工作面煤壁采用優(yōu)化采煤工藝+煤壁注漿技術(shù)后,平均片幫深度0.2m,最大片幫深度為0.5m,最大片幫長(zhǎng)度為2m左右,基本無(wú)大的片幫冒頂事故;據(jù)此可知工作面煤壁采用優(yōu)化后的采煤工藝+煤壁注漿加固防片幫技術(shù)后有效的解決了工作面回采過(guò)程中煤壁易片幫的情況。

        5 結(jié) 論

        針對(duì)厚煤層煤壁片幫機(jī)理的具體分析知,通過(guò)優(yōu)化綜采工藝、減小頂板壓力或提高煤體煤體物理力學(xué)參數(shù)來(lái)保障工作面煤壁的穩(wěn)定,根據(jù)15109工作面煤壁片幫的具體情況,確定采用優(yōu)化采煤工藝+煤壁注漿加固的防片幫技術(shù),并對(duì)煤壁防片幫技術(shù)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),并進(jìn)行煤壁防片幫技術(shù)應(yīng)用效果的分析,該技術(shù)實(shí)施后,工作面煤壁的片幫深度與長(zhǎng)度均大大降低,有效的控制了煤壁片幫現(xiàn)象,保證工作面的安全高效回采。

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