厚煤層綜放工作面煤壁柔性加固技術的研究與應用

張偉鑫

（山西潞安集團蒲縣黑龍煤業有限公司，山西 蒲縣 041200）

在厚煤層綜放煤壁片幫機理方面，張文、劉少康等[1]研究得出，隨著回采推進速度的增大，煤壁前方煤體的破壞深度會減小，煤體片幫幾率降低，當回采推進速度較低時則相反；在煤壁片幫治理方面，尹希文、閆少宏等[2-3]通過使用壓桿理論對中硬煤層的撓度進行了系統的研究，結果表明在回采工作面煤壁的中上部穩定性較差，在回采過程中應提升支架的工作阻力和初撐力，有效地利用護幫板提高煤壁的穩定性。本文對2103工作面的煤壁片幫采用柔性加固方案的具體參數進行分析研究。

1 工程概況

潞安集團黑龍煤業2103工作面主采9+10+11#煤層，煤層均厚5.6m。其中9#煤層厚度為0.8m，10#與11#煤層合并均厚為4.8m，9#煤層與10+11#煤層間存在一層均厚為1.6m的夾矸層。9+10+11#煤層上方偽頂為泥巖，均厚0.4m；基本頂為石灰巖，均厚13.7m；直接底為泥巖，均厚7.42m；基本底為細砂巖，均厚為3.43m。2103工作面采用綜采放頂煤工藝，采高3m，采煤機割深0.8m。工作面范圍內共探測揭露3處斷層和2處陷落柱，在回采過程中易出現煤壁片幫及頂板冒落的情況，影響安全生產，需采取有效措施保證煤壁的穩定性。

2 柔性材料加固煤壁參數確定

針對2103工作面煤壁片幫的具體情況，提出采用柔性加固材料對煤壁進行加固，主要為“注漿+棕繩”的柔性支護。相關研究表明[4]，防止工作面片幫主要是防止大塊煤體的片落，由于棕繩本身屬于柔性材料，并且自身具有一定的抗拉強度，其與化學漿液粘接到一起后能夠在較大程度上提升煤體的抗剪強度，同時注漿材料能夠有效地將煤體與棕繩形成一個整體，在棕繩高延伸率特性的作用下，能夠有效地防止煤塊的大范圍片落。

現通過UDEC2D對煤壁柔性加固技術的主要參數進行確定，由于棕繩的直徑和注漿孔的合理位置是決定該種柔性支護的主要因素，對此進行模擬分析確定。

（1）棕繩直徑

為確定合理的棕繩直徑，主要通過對布置在同樣位置12mm和20mm的棕繩進行模擬研究，根據數值模擬結果能夠得出不同棕繩直徑下的煤壁水平位移如圖1所示。

圖1 不同注漿棕繩直徑下煤壁治理效果

根據圖1分析，當進行“棕繩+注漿”后工作面煤壁的穩定性得到有效的提升，煤壁的水平位移出現較大程度的降低。棕繩直徑12mm時，煤壁的破壞面積為2.9m2，最大破壞深度為0.8m，煤壁的中上部最大水平位移1.5m；當棕繩的直徑為20mm時，工作面煤壁的破壞面積為2.5m2，最大破壞深度為0.8m，煤壁的最大水平位移為1.35m。根據數值模擬結果顯示，由于棕繩的存在使得煤壁的破壞程度相應的減小，同時能夠對局部已破壞煤體的進一步破壞產生抑制。綜合分析認為，棕繩的直徑為16mm時，柔性材料加固煤壁的效果與安全生產的匹配能夠達到最佳。

（2）注漿孔的位置

在確定棕繩直徑為16mm基礎上，對在距離頂板2m和3m的位置處布置注漿孔進行模擬分析，根據模擬結果得出防治后煤壁的破壞效果及水平位移如圖2所示。

圖2 不同注漿孔位置處防治煤壁片幫的效果

根據圖2可知，當注漿棕繩布置在距離頂板2m的位置處時，加固后煤壁的片幫范圍大幅度減小，基本無破壞現象的出現，煤壁的水平位移為0.6m，柔性加固現象較為明顯；當注漿棕繩布置在距離巷道頂板3m的位置處時，最大破壞深度為0.8m，煤壁的水平位移為1.35m。分析結果顯示，注漿棕繩布置位置的不同，對煤壁片幫治理的效果差異較大。對注漿孔布置距頂板1m和2.5m的位置進行進一步模擬分析，得出最佳注漿棕繩的位置在距離頂板2～2.5m的范圍內，合理的注漿棕繩位置可根據現場情況具體調整。

3 工業性試驗

3.1 柔性加固方案設計

2103工作面10～20#支架處易出現大面積片幫，煤壁的片幫深度較大，50～70#支架間易出現片幫及冒頂現象。結合模擬結果對煤壁采用“注漿+棕繩”的柔性加固方案進行設計，注漿材料采用高分子材料，注漿壓力設計為8MPa，采用直徑為16mm的棕繩。

（1）10～20#支架處煤壁的注漿方案

根據該位置處煤壁出現大面積的片幫、片幫深度較大及煤體上方相對平整的特點，提出具體注漿位置如圖3所示。在水平方向上共布置6個42mm的注漿鉆孔，設置鉆孔深度為5m，同時這6個鉆孔距離底板的高度各不相同，在進行鉆孔打設時鉆孔統一向溜頭方向偏移15～20°，向頂板偏移約35～40°，控制單孔的注漿量為25～30桶漿液。

圖3 10～20#支架處煤壁注漿棕繩的布置位置

（2）50～60#支架處的煤壁加固方案

根據50～60#支架處煤壁出現片幫及冒頂的具體情況，在該段距離底板高度為2m、1.5m及1m的位置處分別布置直徑為42mm的注漿鉆孔，并安設棕繩。3個鉆孔分別位于第52～53#、55～56#、57～58#間，鉆孔與鉆孔之間的水平間距為3m，3個鉆孔距離底板的高度各不相同，分別為距離底板2m、1m和1.5m。在進行打設鉆孔時3個鉆孔統一向工作面頂板偏移30～40°，且兩側鉆孔統一向中部鉆孔偏移約15～20°，如圖3所示?？刂泼總€注漿孔的單孔注漿量為25～30桶漿液。

3.2 柔性加固煤壁效果

2103工作面煤壁采用“注漿+棕繩”的柔性加固方案后，煤壁的整體穩定性得到提升，根據現場觀測知，加固后的工作面煤壁在回采推進時，基本無煤壁片幫及頂板冒落的現象出現，工作面回采期間煤壁的破壞得到了有效的控制。

4 結論

針對2103工作面回采期間易出現的煤壁片幫現象，提出采用“注漿+棕繩”柔性加固煤壁的方法來提高煤壁的穩定性方案。通過數值模擬分析得出棕繩的最佳直徑為16mm，注漿棕繩的最佳布置位置在距離頂板2～2.5m范圍內。在對煤壁加固后，工作面回采期間基本無片幫現象出現，為工作面安全高效回采提供了保障。

圖4 50～60#支架處煤壁注漿棕繩的布置位置