綜采工作面煤壁片幫機理分析及預防措施研究

劉金海

（西山煤電集團馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 概 述

西山煤電集團28307工作面位于北三下組煤采區右翼，工作面運輸順槽里程1130～1158 m東南側為28110采空區，回風順槽938～1130 m西北側為28106采空區，工作面上部實體間隔35 m為22307、22308、22310采空區。

28307工作面設計走向長度為1400 m，傾向長度為178 m，回采煤層為石炭系太原組8#煤層，煤層平均厚度為3.5 m，煤層直接頂主要為深褐色的炭質泥巖，裂隙發育，平均厚度為2.85 m，基本頂主要以灰白色的中細砂巖為主，平均厚度為3.5 m。

根據28307工作面水文地質資料顯示，工作面回采至970 m處揭露一條逆斷層F11，斷層落差為1.2 m，傾角為45°，斷層貫穿整個工作面，從回風順槽970 m處揭露，從運輸順槽1105 m貫穿，斷層與工作面呈15°夾角。如圖1所示。當工作面尾巷揭露斷層時，頭巷與斷層最大間距為45 m，此時受工作面構造應力以及兩翼及上覆巖層采動壓力影響，工作面煤壁出現嚴重片幫現象，片幫最大深度達1.5 m，片幫處頂板破碎，造成工作面回采效率低，回采速度僅為1.2 m/d。為了進一步提高工作面回采效率，綜采一隊通過技術研究，對工作面煤壁片幫機理進行分析，并提出有效的預防措施。

2 28307工作面煤壁片幫機理

2.1 外力作用

工作面回采至938～1158 m處時工作面兩翼分別為28106及28110采空區，上覆巖層35 m處為22307、22308、22310采空區，受采空區壓力及回采壓力影響，工作面煤體前方20 m范圍內超前支承壓力加大，而工作面在接近F11斷層時煤體穩定性差，抗壓能力低，煤體無法承載超前支承壓力，從而造成煤壁片幫。

2.2 液壓支架初撐力、工作阻力低

工作面在過斷層前，頂板出現破碎現象，局部地段出現冒頂致使支架上方處于空頂狀態，支架與頂板接觸不嚴實，從而造成支架初撐力、工作阻力降低。實測發現28307工作面在過斷層前，支架平均初撐力為1334.6 kN，為額定初撐力的41.7%；工作阻力為 2311.53 kN，為額定工作阻力的57.24%；當支架初撐力及工作阻力不足時，頂板壓力與支架支撐力無法取得平衡，頂板壓力向煤壁側移動，造成工作面煤壁壓力加大，發生煤壁片幫。

2.3 工作面推進速度慢

28307工作面在過F11斷層前平均回采進度僅為1.2 m/d，工作面回采速度慢，停采時間長，隨著頂板的周期性垮落，頂板的下沉量增加，且停采時間越長，頂板下沉量越大，從而造成端面空頂處及煤壁上方頂板壓縮破壞嚴重，頂板對煤壁產生剪切破壞，當煤壁剪應力大于抗剪強度時煤壁發生片幫。

3 煤壁片幫預防措施

研究后決定對28307工作面中上部煤壁采取“聚氨酯加固技術+撞楔超前支護”等聯合預防措施。

3.1 聚氨酯加固技術

（1）采用的聚氨酯材料主要由聚醚、多異氰酸脂組成，采用藥包法對片幫煤壁進行加固。

（2）由于28307工作面煤壁片幫高度達2.0m，所以采用手持式鉆機在工作面施工兩排聚氨酯加固孔，鉆孔排距為1.0m，間距為1.0m，鉆孔深度為2.0m，第一排鉆孔距工作面頂板距離為0.5m，兩排鉆孔成三花布置。

（3）在每個鉆孔內依次填裝A、B兩種藥包，藥包長度為0.35 m，直徑為300 mm，A藥包內裝入聚醚，B藥包內裝入多異氰酸脂，每個藥包裝藥量為250 g，每個加固孔內填裝4卷藥包，且兩種藥包相間填裝。

（4）加固孔內藥卷填裝完成后，采用端頭為方形的錨桿插入孔內，另一端連接鉆機，并開動鉆機進行藥包攪拌混合，攪拌時間為30 s，攪拌到位后立即采用木塞封孔，封孔深度不得低于0.5 m。

（5）煤壁通過聚氨酯加固后，在割煤過程中，應根據實際情況決定是否繼續循環加固，當割煤時發現煤壁仍較松軟，工作面每推進2.0 m必須再次進行加固，直至煤壁穩定為止。

3.2 撞楔超前支護加固頂板

（1）為了防止割煤過程中造成采煤機截割部損壞，28307工作面施工撞楔超前支護體采用特制加長高預應力玻璃鋼樹脂錨桿，樹脂錨桿長度為3.5m，直徑30 mm。

（2）首先在工作面煤頂位置施工一排超前支護孔，支護孔垂直煤壁布置，孔徑為42 mm，孔深為3.0 m，孔間距為1.5 m。

（3）支護孔施工完后，在鉆孔內依次填裝三支錨固劑及樹脂錨桿，錨固劑采用礦用快速型及超快型，即一支MSKC23/35型，兩支MSKC23/80型；采用手持式鉆機連接樹脂錨桿并轉動鉆機進行支護體錨固，鉆機轉動時間不得低于45 s。

（4）撞楔超前支護施工完后，在割煤移架時使支架頂梁緊貼超前支護體，并進行帶壓擦頂移架，工作面每推進2.5 m施工一排撞楔超前支護，相鄰兩排超前支護交錯布置，交錯距離為1.0 m，直至工作面頂板及煤壁穩定后停止施工。

4 應用效果

（1）28307工作面片幫煤壁采取聚氨酯加固技術后，破碎煤體形成一個整體，有效提高了煤體抗壓強度，通過實驗表明，聚氨酯加固后的煤體單軸抗壓強度提升至11.87 MPa，大大提高了破碎煤壁穩定性，在后期回采過程中未發生嚴重片幫現象，當工作面機頭15#～4#支架回采至距F11斷層5.0 m處片幫相對嚴重，但最大片幫深度僅為0.3m，工作面煤壁片幫現象得到了有效控制。

（2）28307工作面頂板施工撞楔超前支護后，提高了液壓支架初撐力及工作阻力，現場數據收集顯示，撞楔支護施工完后有效控制頂板破碎現象，工作面移架時緊貼超前支護體，未發生支架傾倒、頂梁插入破碎頂板等現象，支架初撐力提高至2848.4 kN，為額定值的89%，工作阻力提高至3634.5 kN，為額定值的90%，而且加快了工作面移架、割煤速度，平均回采量達5.8 m/d。