斜溝煤礦大采高超長工作面片幫治理探討

趙凱明

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033602）

一般將采煤機割煤高度大于3.5 m 的綜合機械化開采稱為大采高綜采工作面。與常規的普通采高相比，大采高工作面存在的問題之一是煤壁片幫嚴重，端面頂煤穩定性差，在發生片幫的同時一般伴有頂煤的局部冒漏或者大范圍的冒頂，對大型礦井的高產高效高安全生產造成了嚴重的影響。隨著工作面傾斜長度的增加，煤壁的自由面積加大，超前應力的影響范圍更大，端面頂煤的應力集中程度更高，工作面煤壁片幫狀況進一步惡化，對控制技術也提出了更高的要求[1-3]。

1 工作面概況

山西西山晉興能源有限責任公司斜溝礦18112工作面位于+700 水平，11 采區南翼，所采煤層為8號煤，地面為中低山區，起伏較大，蓋山厚度為44～268 m。工作面頂底板情況綜合柱狀圖見圖1。

圖1 18112 工作面頂底板巖性綜合柱狀圖

工作面兩巷掘進過程中揭露有多個斷層等地質構造，其中落差最大的為4.3 m，可能對回采造成較大影響。

18112 工作面長度294 m，推進長度3 797 m。采煤方法為走向長壁綜合機械化開采，一次采全高，平均采高5.75 m，頂板管理方式為全部垮落法。采用“四六”制作業，乙班檢修、準備，甲、丙、丁三班生產。每天六個循環，進尺4.5 m。支架中心距1.75 m，初撐力為6 421 kN，工作阻力8 000 kN，支護強度為0.98～1.01 MPa。工作面主要設備見表1。

表1 18112 工作面主要設備

2 片幫分析

2.1 片幫特點

為掌握大采高超長工作面的片幫規律及特點，為片幫治理提供資料，在18112 工作面進行了4 個周期來壓、工作面推進約70 m 的礦壓觀測。每天乙班由技術科人員對工作面煤壁片幫的位置、大小、形狀等進行記錄。觀測期內共觀測到片幫96 次，統計結果見表2、表3。

表2 片幫位置及范圍統計

表3 片幫深度及高度統計

由觀測統計結果可以看出：

（1）18112 工作面片幫位置以中上部（距底2.0 m以上）為主，其中上部片幫次數最多，占比為43.8%，片幫的主要形式為剪切滑落式和拉裂式，并以滑落式為主，見圖2。

圖2 18112 工作面片幫的主要形式

（2）片幫范圍集中在一個支架寬度上，占比64.6%，大于兩個支架寬度的片幫次數較少，共觀測記錄到6 次。

（3）絕大多數的片幫的深度小于0.6 m，高度小于2 m，在斷層面附近時發生了嚴重的片幫（冒頂），底板以上3.2 m 煤壁發生片幫，并且深入到端面頂板0.8 m，最大片幫深度達到1.2 m。

2.2 原因分析

（1）煤層賦存條件

18112 工作面所采的8 號煤為煤矸互層煤層，結構復雜，中上部含有一層穩定的夾矸，厚度0.05～0.33 m，平均厚度0.20 m，部分地段下部有一層0.05～0.20 m 的夾矸。夾矸的存在破壞了煤層的整體性，在無支護條件下容易發生失穩。

（2）工作面長度

18112 工作面長度為294 m，長度較大，整個工作面煤壁的自由面積超過1 000 m2，容易失穩。同時超長的工作面導致超前支承壓力影響范圍大，在煤巖交界處形成應力集中，造成片幫甚至冒頂。

（3）工作面采高

工作面采高增大，頂板壓力大，另外采高增大造成煤壁的重心偏高，在來壓期間如果護幫板沒有及時支護則容易造成片幫。

（4）地質構造

18112 作面兩巷掘進中揭露的斷層落差最大達到4.3 m，工作面推至斷層附近時，受采動影響，斷層面發生活化，上下兩盤發生較大范圍的錯位滑移，另受斷層影響，煤壁的承載能力降低也是導致片幫頻發的重要因素。

3 片幫治理技術

3.1 工作面注漿

確保漿液的流動性好，可以填充煤巖中的節理和裂隙，從而提高其整體性和穩定性。但由于漿液的成本較高，因此只有在過斷層等地質構造區域、片幫嚴重時才對工作面煤壁注漿加固。

由于煤層采高大，因此注漿孔采用五花布置的方式，鉆孔布置見圖3。鉆孔直徑為32 mm，深度為15 m，靠近頂板的一排鉆孔向上傾斜角度10°，終孔深入到頂板圍巖中。

圖3 注漿鉆孔布置（單位/m）

3.2 煤層超前注水

注水可以使煤粒吸附凝聚的水分子達到飽和，在煤粒之間形成黏結層，減小煤壁的片幫。因此，從工作面前方10 m 開始，在18112 工作面運輸巷和運料巷中布置垂直于煤層的順層鉆孔向煤層深部注水，鉆孔傾角與煤層傾斜一致，開孔位置距巷道底板1.5 m，孔間距為3 m，鉆孔深度為150 m，注水鉆孔布置見圖4。

圖4 注水鉆孔布置平面（單位/m）

實踐表明：注水壓力大于8 MPa時，雖然注水時間縮短，但過大的壓力使得煤體裂隙擴張發育，不利于片幫防治。因此，注水壓力不大于4 MPa，單孔注水時間不超過2 h。

3.3 降低工作面推進速度

與普通采高工作面不同，對于超長大采高工作面，推進速度快時容易造成懸臂梁內彈性能應變急劇變化，對煤壁造成強烈沖擊，為此在片幫嚴重的區域適當減緩工作面的推進速度，并且降低采高有利于片幫控制。在通過斷層時，適當降低采高和推進速度，片幫頻率和大小有了明顯減小。

3.4 加強現場管理

將工作面所有支架的護幫板進行維修，在割煤過程中，提前三個支架升起護幫板，并且在割煤過后及時伸出，縮短煤壁裸露的時間。

工作面割煤完成后，采用少降快拉的方式及時移架，并保證支架的工作阻力，與頂板緊密接觸，發生冒頂區域及時背板或注漿處理，杜絕支架頂梁懸空。

4 治理效果

工作面推進70 m 后，開始進行片幫治理，治理前后的片幫次數統計見圖5。

圖5 治理前后的片幫頻率對比

由圖可以看出，采取措施后工作面片幫次數明顯減少，治理后的16 d觀測期內，共觀測到大小片幫52 次，減少45.8%。并且片幫深度和高度也明顯減小，未觀測到片幫高度1 m、深度0.5 m 的片幫，整個工作面推采順利，提前15 d達到停采線位置，取得了顯著效果。

工作面推進70 m 后，開始進行片幫治理。治理前后的片幫次數統計見圖5。

5 結論

1）片幫特征。18112 大采高超長工作面的片幫以滑移式為主，片幫位置主要位于中上部，片幫頻率高主要是由于煤矸互層及工作面長度大、采高大、地質構造等引起的。

2）通過采取工作面局部注漿、靜壓注水、降低推進速度、加強工作面管理等措施，工作面片幫冒頂得到了治理，開機率大大提高，實現了大采高超長工作面的安全回采。