彭曉東

(晉能控股集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部晉圣公司億欣煤業(yè)，山西 晉城 048200)

煤壁片幫現(xiàn)象頻發(fā)是綜采工作面進(jìn)行回采時(shí)所面臨的主要問(wèn)題之一[1-2]，煤壁片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，則支架前方將會(huì)形成面積較大的無(wú)支護(hù)空間，若頂板條件較差，將會(huì)引起該區(qū)域發(fā)生大范圍的冒頂[3-4]，進(jìn)而導(dǎo)致頂板條件持續(xù)惡化，更為嚴(yán)重時(shí)將會(huì)使支架受力不均而產(chǎn)生損壞，嚴(yán)重威脅著井下施工，運(yùn)營(yíng)期間的生命財(cái)產(chǎn)安全[5]。因此對(duì)綜采工作面的優(yōu)化管理，減少煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)于保障礦井正常安全生產(chǎn)具有重要意義[6]。

億欣煤礦XV1307綜采工作面在回采期間煤壁片幫現(xiàn)象頻發(fā)，在30 d的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)片幫次數(shù)高達(dá)84次，嚴(yán)重影響著礦井的生產(chǎn)效率以及工作人員的人身安全。為了保障礦井的正常安全生產(chǎn)，探究煤壁片幫的原因并對(duì)綜采工作面進(jìn)行合理的優(yōu)化管理已成為一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

1 工程概況

億欣煤礦XV1307綜采工作面所采4號(hào)煤層為山西組下段頂部煤層，埋深達(dá)到了450 m，該煤層厚度為3.15～4.1 m，平均厚度為3.75 m，煤層傾角為2～9°，平均6°，頂板為砂質(zhì)泥巖，并且局部地方發(fā)育有偽頂(巖性主要以泥巖及炭質(zhì)泥巖為主)，底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖、泥巖。根據(jù)巷道揭露資料以及XV1307回采工作面綜合分析，此區(qū)域內(nèi)煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育，對(duì)工作面回采有一定的影響。XV1307工作面沿傾向布置，沿走向推進(jìn)，其中傾向長(zhǎng)度為200 m，走向長(zhǎng)度達(dá)到了1 412 m，整個(gè)工作面共有134臺(tái)液壓支架。所選用的液壓支架型號(hào)為ZZ6000-20/42，該支架最大支護(hù)高度為4.2 m，最小支護(hù)高度2.0 m，有效支護(hù)高度為3.8 m，根據(jù)煤層高度、煤層頂板巖性及三機(jī)配套，確定平均采高為3.75 m。當(dāng)煤層厚度變化時(shí)，必須嚴(yán)格沿煤層頂?shù)装甯蠲海簩幼儽r(shí)，采高不低于2.2 m，煤層變厚時(shí)，沿穩(wěn)定標(biāo)志層留底或留頂割煤采高不超過(guò)3.8 m。在XV1307工作面回采期間煤壁片幫現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重制約著礦井的正常安全生產(chǎn)。

2 工作面片幫的主要因素

為了探究XV1307工作面煤壁片幫現(xiàn)象嚴(yán)重的問(wèn)題，本文采用理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及實(shí)驗(yàn)室力學(xué)參數(shù)測(cè)試的方法對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)研究。

2.1 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

為了掌握工作面煤壁片幫現(xiàn)象頻發(fā)的原因，對(duì)工作面煤體進(jìn)行了原位取芯并對(duì)試件進(jìn)行進(jìn)一步加工后將其密封帶回實(shí)驗(yàn)，通過(guò)巖體力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)其力學(xué)參數(shù)展開(kāi)測(cè)試，測(cè)試圖片如圖1所示。

圖1 煤體抗拉強(qiáng)度測(cè)試

測(cè)試結(jié)果顯示該試件的抗拉強(qiáng)度僅為1.8 MPa,抗壓強(qiáng)度為6.24 MPa,內(nèi)聚力為1.36 MPa，內(nèi)摩擦角為22°，試件內(nèi)部層理裂隙發(fā)育，整體表現(xiàn)為脆性，表明該工作面煤層質(zhì)軟、強(qiáng)度較低，煤壁不能對(duì)頂板產(chǎn)生較好的支撐作用。

2.2 采高的影響

由煤層頂板圍巖賦存情況可知，該煤層頂板屬于復(fù)合頂板，并且局部地方發(fā)育有偽頂，頂板整體易離層垮落。該綜采工作面采高最高達(dá)到了3.8 m，更高層位的頂板得不到已垮落巖體的有效支撐，砌體梁結(jié)構(gòu)不能有效形成，煤壁和液壓支架共同承載了上覆巖層的大多數(shù)重量，進(jìn)而造成煤壁易產(chǎn)生片幫垮落的趨勢(shì)。

2.3 支架工作阻力的影響

若支架的工作阻力過(guò)高，則煤層頂板易被擠壓破碎，若支架的工作阻力過(guò)低，則不能對(duì)頂板形成有效的支撐，頂板斷裂時(shí)發(fā)生過(guò)度回轉(zhuǎn)，從而煤壁承受著較大的頂板壓力，進(jìn)而誘發(fā)片幫的發(fā)生。因此支架工作阻力的合理選取對(duì)于保持工作面圍巖的穩(wěn)定性具有重要意義。為了對(duì)支架工作阻力進(jìn)行合理選取，本文對(duì)其額定初撐力進(jìn)行了理論計(jì)算。

2.3.1 液壓支架初撐力理論計(jì)算

Ρ2=(n+1)∑hrsgcosa

(1)

式中：Ρ2為工作面頂板支護(hù)需要支架的工作阻力，kN；n為動(dòng)載系數(shù)1.5～2.0，周期來(lái)壓時(shí)取大值，周期來(lái)壓不明顯時(shí)取小值，這里取1.5；∑h為采空區(qū)頂板跨落高度，∑h=M/(K-1);M為工作面采高，取3.75 m；K為巖石碎賬系數(shù)，取1.35；∑h=3.75/(1.35-1)=10.7 m；r為頂板巖石容重，取2.73 t/m3；s為支架最大控頂距時(shí)支護(hù)面積，取7.8 m2；g為重力加速度，約9.8 N/kg；a為煤層傾角，取平均值5°。

將上述參數(shù)代入式(1)中，則Ρ2=(1.5+1)×10.7×2.73×7.8×9.8×cos5°=5 561 kN，即工作面液壓支架的初撐力需達(dá)到5 561 kN才能滿足正常的工作要求。

2.3.2 支架初撐力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了探究液壓支架初撐力的設(shè)定是否合理，對(duì)該工作面134架液壓支架進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 工作面液壓支架初撐力分布

從圖2可以看出，XV1307綜采工作面液壓支架的初撐力主要分布在4 600～5 000 kN，其次為5 000～5 400 kN，初撐力處于6 000～6 400 kN的液壓支架僅有4架，僅占到了總架數(shù)的3%。從其分布結(jié)果來(lái)看初撐力處于4 600～5 400 kN的液壓支架占到了總架數(shù)的82.1%，工作面液壓支架的初撐力整體小于理論計(jì)算結(jié)果。

2.4 工作面推進(jìn)速度的影響

在監(jiān)測(cè)期間工作面日平均推進(jìn)速度較慢，僅為3 m/d，若停采時(shí)間較長(zhǎng)則會(huì)引起頂板下沉量的增加，煤壁對(duì)頂板的支撐壓力也會(huì)隨之增大，煤壁在上覆巖層的重力作用之下被壓縮破壞，進(jìn)而產(chǎn)生片幫現(xiàn)象的發(fā)生。

3 工作面煤壁片幫控制措施

1) 將工作面液壓支架的初撐力統(tǒng)一提高至5 600 kN，使支架與頂板緊密接觸，充分發(fā)揮支架對(duì)頂板的支護(hù)能力，防止頂板出現(xiàn)過(guò)度離層。

2) 適當(dāng)加快工作面的日推進(jìn)速度，由原來(lái)的3 m/d提高至6 m/d,降低工作面的停產(chǎn)時(shí)間，進(jìn)而減少工作面頂板的懸露時(shí)間。當(dāng)工作面回采至薄煤層時(shí)或頂板較好的地方可適當(dāng)降低回采速度，對(duì)采掘機(jī)進(jìn)行檢修。

3) 對(duì)工作面前方煤壁進(jìn)行超前注漿，使?jié){液對(duì)煤層裂隙進(jìn)行較好的充填，通過(guò)漿液的作用使松散破碎的煤體固結(jié)為一個(gè)整體，從而有效提高前方煤壁的整體強(qiáng)度，減少片幫現(xiàn)象的發(fā)生。

4 煤壁超前注漿施工過(guò)程

4.1 注漿材料及性能

本文所選用的煤壁注漿材料為聚氨酯材料，該材料主要由多異氰酸酯和聚醚數(shù)脂兩種化學(xué)液體組成，對(duì)煤體具有較強(qiáng)的膠結(jié)作用，同時(shí)也具有較好的穩(wěn)定性、可灌性和較好的延性，能夠?qū)γ罕趦?nèi)部裂縫和孔洞進(jìn)行充分的充填，吸收部分能量并減輕動(dòng)載程度，進(jìn)而降低片幫現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2 注漿壓力及注漿孔參數(shù)設(shè)定

為了使?jié){液沿著注漿孔充分注入煤壁之中，對(duì)松散煤體達(dá)到較好的膠結(jié)、充填作用，需要保證足夠的的注漿壓力，同時(shí)注漿壓力也不能過(guò)大，防止引起原生裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展，在注漿的過(guò)程中，將注漿壓力設(shè)定為6～8 MPa，若遇到特殊情況，可對(duì)注漿壓力進(jìn)行臨時(shí)調(diào)整。為了防止?jié){液亂串，保證漿液的滲透性，應(yīng)采用分序間隔注漿。

鉆孔布置及施工鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1和圖3。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

綜采工作面進(jìn)行優(yōu)化管理后，對(duì)其片幫情況進(jìn)行了為期30 d的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，圖4為優(yōu)化前煤壁片幫的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖5為優(yōu)化后煤壁片幫的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。

表1 注漿孔參數(shù)

圖3 注漿布置

圖4 優(yōu)化前煤壁片幫情況

圖5 優(yōu)化后煤壁片幫情況

從圖4和圖5 中可以看出，在對(duì)工作面優(yōu)化管理前，煤壁片幫情況嚴(yán)重，在30 d的監(jiān)測(cè)時(shí)間里，累計(jì)片幫次數(shù)達(dá)到了84次。在對(duì)工作面進(jìn)行優(yōu)化管理后，煤壁片幫次數(shù)驟減至13次，與優(yōu)化管理前相比片幫次數(shù)減少了84.5%，工作面煤壁的穩(wěn)定性得到了大幅提高。

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論計(jì)算、煤體力學(xué)參數(shù)測(cè)試后得出初撐力不足、回采速度較慢以及煤體整體較為松散是造成億欣煤礦XV1307綜采工作面煤壁片幫現(xiàn)象頻發(fā)的主要原因。

2) 針對(duì)煤體片幫原因，采取將工作面回采速度由3 m/d提高至6 m/d，支架初撐力提高至5 600 kN以及向煤體注入聚氨酯漿液來(lái)對(duì)其進(jìn)行綜合治理。

3) 工作面優(yōu)化管理后對(duì)其展開(kāi)了為期30 d的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示煤壁片幫次數(shù)與優(yōu)化前相比減小了84.5%，表明所采取的措施治理效果明顯，煤壁的穩(wěn)定性得到了大幅提高。