晶鑫煤業綜放面煤壁片幫機理及控制技術

張躍兵

（山西陽城陽泰集團晶鑫煤業股份有限公司，山西 晉城 048100）

1 工程概況

陽泰集團晶鑫煤業3217工作面位于礦井西采區+630水平，工作面埋深98～132m，平均110m，地表為山坡耕地，無其他建筑物。3217工作面東為西三級大巷、南為西二級大巷、西為礦界保安煤柱、北為3215采空區。工作面主采3號煤層，平均煤厚4.8m，煤層傾角1～3°，屬近水平煤層，采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板，采高2.0m、放頂煤高度2.8m、步距為0.6m。工作面偽頂為砂質泥巖，厚度2.1m，質地松軟破碎；直接頂為性脆致密的中粒砂巖，厚度3.3m，裂隙發育，巖心破碎；老頂為灰色細砂巖，厚度9.9m，石英為主，質地較硬；直接底為泥巖，厚度0.6m，性脆致密；基本底為粉砂巖，厚度3.2m，薄層狀，含較多砂質泥巖帶。

由于3217工作面本身放頂煤工藝和煤層地質條件的問題，采場經常出現煤壁片幫，造成頂板漏冒的問題。片幫或漏冒后產生的煤巖塊容易積聚在采場周圍，給割煤、運煤、支護工作帶來了極大不利影響，耽誤了工作面正常生產進程，嚴重威脅了人員及設備的安全，成為了3217工作面當前亟需解決的主要問題。

2 3217綜放面煤壁片幫機理

3217綜放面向前推進過程中，頂板經歷初次來壓和周期來壓過程，基本頂破斷旋轉形成“砌體梁”結構，超前支承壓力在深入煤壁一定位置處出現峰值，受超前集中載荷的影響，峰值區域的煤體會出現擠壓裂隙發育，煤體變得更破碎。當3217工作面逐漸向前推進的過程中，遇到這部分穩定狀態已破壞的煤體時，在支架、頂板、煤體的共同作用下，煤壁位置很容易出現片幫現象[1,2]。

煤壁片幫剝落的煤體厚度都比較小，可以將其視為平面應變問題進行研究，建立如圖1所示采場煤壁片幫力學結構，Q為上覆煤巖層重量;Q2為超前支承壓力;P為支架支護阻力;θ為支架立柱與水平方向夾角;Q1為頂板傳遞壓力;Q3為頂板巖塊回轉下沉附加力;T為支護板阻力;p0為滑落體受豎直載荷、R為滑落體受到的支撐反力;R1x和R1z為滑落體底部受摩擦阻力和支撐反力;n為滑落面的法線;ds為滑落面單位面積;dv為滑落體的單位體積;γ為煤比重。豎直方向與水平方向的離得平衡可用下式表示：

圖1 采場煤壁片幫力學結構

由圖1和上述公式定性可知，影響煤壁滑落體速度矢量的主要因素為頂板載荷、支架護幫板水平力和滑落面的位置，滑落面的位置又和煤體內聚力和內摩擦角緊密聯系。煤壁片幫形式主要有拉伸劈裂破壞和壓剪滑移破壞，當煤體受超前支承應力峰值影響后變得裂隙發育破碎后，由于采煤機割煤后支架不能及時支開護幫板，造成在頂板壓力影響下的煤壁開始從滑落面出現移動趨勢，上方頂板逐漸回轉下沉，頂板壓力逐漸增加，護幫板的水平力已不足以支撐滑落體穩定，片幫現象開始發生。出現片幫后，若不及時采取控制措施，會進一步造成頂板冒落，甚至是臺階下沉的嚴重事故[3-5]。

3 3217綜放面采場片幫控制方法

3.1 煤壁片幫控制思路

根據采場煤壁片幫力學分析，要保證工作面前方煤壁的穩定性，主要是從控制頂板垂直壓力、增加水平支護力和控制煤壁滑落面三個方面入手：

1）煤壁所受的頂板垂直應力主要由頂板斷裂塊的回轉下沉引起，增加工作面支架的支護強度和支護阻力，能夠有效減弱斷裂塊下沉趨勢，確保煤壁受力穩定。

2）支架水平支護力的作用效果與支護力大小和支護是否及時有關，及時對煤壁施加較強的水平支護力，阻止已破碎煤體繼續發育，能夠控制割煤前煤壁的整體穩定。

3）煤壁滑落面的形成主要與煤體自身性質有關，當煤體內聚力較小或內摩擦角較大時，煤體易出現滑落面發育，通過增加煤體整體性可以減緩或消除煤壁滑落面的產生。

3.2 3217綜放面技術實踐

根據3217工作面煤壁片幫控制思路，在采場推進過程中確定采用以下幾方面的控制措施：

1）3217工作面主要采用了 101架ZF2800/16/24型液壓支架，確保支架初撐力不低于規定值的80%，即不得小于25.2MPa，安全閥開啟壓力34.9MPa，工作面推進過程中定時檢測支架工作狀態，保證支架工作阻力。滯后采煤機組1～2架，馬上進行移架工作，此過程帶壓擦頂前移，移架后迅速伸出前梁，打開護幫板，支柱收縮高度控制在100mm以內，使支架護幫板能及時作用于煤壁，在時間和空間上進行不間斷支護，阻止煤壁滑落體的移動。3217工作面正常一個循環進尺為0.6m，日循環數為4次，提高工作面推進速度，可將日循環數增加至6～8次，快速割煤后能夠有效減少采場煤壁的裸露時間，降低頂板垂直應力對煤壁的作用時間，減弱煤壁片幫發生程度。

2）3217工作面遇片幫現象較嚴重區域，補打木錨桿進行煤壁加固，具體施工見圖2。鉆孔采用手持式煤電鉆濕式鉆孔，麻花鉆桿長為1.2m和1.5m。錨桿為紅松原木材質，直徑為45mm，三排五花眼布置，眼距0.75m，底排距底部800mm，桿體1500mm，垂直煤壁30°打設；中排水平打設，長度1200mm，距底部1200mm；頂板排距頂200～300mm，與水平方向30°打設，桿長1500mm。錨桿及時打緊，一端100mm范圍內削成棱角狀，另一端外露長度不大于100mm。

圖2 木錨桿布設位置

3）3217工作面遇到斷層等構造地段時，可以采用注漿煤壁加固技術，用以粘結補強、轉化破壞機制。根據3217工作面實際已發生片幫情況，注漿位置在主要集中在采場中部片幫較嚴重區域，采用馬麗散注漿，鉆孔直徑42mm，由于煤體裂隙較發育，只在煤體中部布置單排眼，間距4.0m、孔深6.0m，與水平方向成10°打設，封孔長度不小于1.0m，注漿壓力不宜過大，確定為3～4MPa。注漿泵選用ZBQ-5/12型氣動高壓雙液化學泵，高壓膠管直徑19mm，注射花管直徑10mm，注漿完畢后及時清洗設備和附件。

圖3 注漿加固系統

3.3 工程應用效果分析

晶鑫煤業3217綜放面在采用上述方式進行煤壁片幫控制后，需要對煤壁控制效果進行檢驗對比。在支架上布置5個測站，測站間距為20架，測站編號支架分別為18號、38號、58號、78號、98號，記錄實施控制措施前后的煤壁片幫深度，如圖3所示。煤壁片幫現象主要在整個采場中部區域煤體發生，控制措施采取前后均是同曲線的最大值。根據對比效果，片幫深度最大值從1.5m降低到0.5m，平均深度從1.0m降低到0.4m，煤壁片幫的范圍從90%降到至35%；3217綜放工作面月進尺也從60m增加到了90m，月產量達到了6.5萬t，生產能力提高了44%。可見，3217工作面煤壁采取控制技術后，大大減少了片幫發生范圍和深度，緩解了片幫現象對工作面生產的影響，提高了月進尺和月生產能力，保證了人員與設備的安全，取得了良好的技術經濟效益。

圖4 3217采場片幫深度對比

4 結論

晶鑫煤業3217綜放工作面采場煤壁易出現片幫現象，片幫主要受頂板載荷、水平護幫力和滑落面位置影響，可以采用控制頂板垂直壓力、增加水平支護作用力和增大煤體自身穩定性的相關舉措進行片幫控制。采取控制措施后的3217工作面片幫范圍降低至35%，月生產能力提高了44%，實現了工作面安全高效生產，取得了良好的技術經濟效益。