8113綜放面煤壁片幫控制技術應用

劉永鋒

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦，山西 大同 03700）

綜放開采因其一次采出的煤層厚度大，因而可以實現較高的生產效率[1-2]。然而，現場生產中，隨著機采高度的增加，工作面經常出現煤壁片幫等問題，嚴重制約著綜放工作的安全高效生產[3-4]。本文以馬脊梁礦8113 工作面為研究背景，首先對綜放開采工作面煤壁片幫機理進行分析，進而提出了綜放工作面煤壁片幫的防治技術措施。

1 地質概況

馬脊梁礦8113 工作面位于一水平一盤區，開采3#煤層，煤層厚度6.23～8.39 m、平均6.86 m；煤層傾角1°～4°，平均2°，普氏硬度系數2～3。煤層結構較復雜、含1～4 層夾矸，平均2 層，以泥巖為主。工作面傾向長240 m，走向長2 188 m，底板標高+866～+902 m，對應地表標高為+1 318～+1 430 m。8113 工作面采用綜放開采工藝，機采高度為3.3 m，放煤高度為3.56 m。工作面采用ZF13000/25/38 綜放支架，支架中心距為1.75 m，設計初撐力為10 000 kN。

3#煤層直接頂為炭質泥巖，老頂為高嶺泥巖，直接底為砂質泥巖，老底為粗砂巖，見表1。工作面回采過程中煤壁片幫嚴重，片幫最大深度可達0.8 m，嚴重影響工作面生產安全。

表1 3#煤層頂底板情況

2 綜放工作面片幫機理分析

一般而言，工作面煤壁破壞主要包含兩種形式：一種是由于頂板巖層向下運動而在煤壁上形成的剪切力超過煤體抗剪強度造成的剪切破壞；另一種是煤體受超前支承壓力作用下形成的拉應力超過煤體抗拉強度而造成的拉伸破壞，而煤壁片幫形式和煤體的力學性質有著極大關系[1]。

當煤體彈性模量較大時，煤體在上覆巖層壓力及自身重力P作用下，破壞前所產生的變形量很小，應力分量σx將使得煤體產生垂直于煤壁方向的移動趨勢；隨著頂板壓力的不斷增大，σx也將繼續增加，導致煤壁在中上部發生拉伸破壞，最終致使煤壁產生片幫失穩，見圖1（a）。

當煤體彈性模量較小時，煤壁在上覆巖層壓力及自身重力P的作用下，將發生較大程度的彈性變形，作用力P得到釋放，而壓力減少的部分主要沿煤壁方向，此時的合力實質為剪應力。若該剪應力超過煤體抗剪強度，煤壁將產生剪切破壞，最終形成楔形滑落體，見圖1（b）。

圖1 煤壁破壞形式

8113 工作面煤體普氏硬度系數介于2～3，彈性模量約為2×109，結合現場煤壁片幫形式，判斷8113 工作面煤壁片幫主要以剪切破壞為主，較大的頂板壓力作用于煤壁而造成煤壁破壞是工作面煤壁片幫的主要原因。

3 煤壁片幫控制措施

3.1 保障液壓支架初撐力

現有研究表明提高綜放支架初撐力可以有效減少煤壁片幫，但現場生產中支架初撐力經常不滿足要求[7]。因此，對工作面不同區域綜放支架工作阻力進行監測，監測結果見圖2。由圖2可知，工作面推進過程中，綜放支架初撐力平均約為8 000 kN，遠低于作業規程規定的10 000 kN，這使得支架不能很好的支護頂板，頂板產生較大位移，造成煤壁受頂板載荷作用而發生破壞及失穩。因此，現場加強綜放工作面支架初撐力監測及管理，使得支架初撐力滿足要求，從而保證煤壁穩定。

圖2 支架初撐力分布情況

3.2 改變支架頂梁結構及護幫結構

綜放工作面支架頂梁結構主要分為兩類，分別為整體和鉸接兩種。采用整體結構可以增加對煤體的水平作用力，從而提高煤壁的穩定性。合適的護幫結構可以有效降低片幫發生率[2]。目前，綜放工作面支架護幫結構主要分為兩種，分別為護幫板與伸縮梁連體結構及護幫板與伸縮梁分體結構。目前，多數綜放工作面液壓支架采用連體結構，這使得伸縮梁在端面處不能與煤壁相接觸，伸縮梁只能起到支護頂板的作用，而不能對煤壁移動與變形產生控制作用。現場觀測表明，煤壁片幫多發生在煤壁的中上部，這也是片幫控制的關鍵區域。結合以往經驗，8113 工作面支架護幫板及伸縮梁改用整體式結構，見圖3。這樣，伸縮梁一方面可以支護頂板，另一方面可以對煤壁產生一定的水平作用力。同時，通過增加二級護幫板加長護幫板的總長度，可以實現對工作面中部煤壁的有效控制，最終確保了工作面煤壁的穩定性。

圖3 8113 工作面整體式頂梁結構

3.3 特殊地質構造下煤壁注漿加固

當工作面由于地質構造作用片幫嚴重時可采用注漿加固技術實現對工作面煤壁的控制，具體注漿方式及工藝參數如下：

（1）注漿材料。煤壁片幫加固采用的注漿材料為馬麗散。馬麗散是一種雙組分合成的高分子聚亞胺膠材料，具有黏度低、凝固速度快、強度高的特點。馬麗散可以在自身膨脹作用和注漿泵機壓力作用下充填至煤體裂隙處，從而將破碎煤體進行膠結，達到控制煤體穩定的作用[5-6]。

（2）注漿孔布置。8113 工作面采用單眼平行方式布置注漿鉆孔。鉆孔主要布置于工作面中部煤壁區域，根據以往施工經驗，鉆孔的間距一般可以設置為4 臺支架，即6～7 m。鉆孔軸向垂直于煤壁，鉆孔孔徑為42 mm，鉆孔的深度為6.0 m，高度為1.5 m，見圖4。

圖4 注漿鉆孔布置剖面

（3）注漿工藝。在工作面中部20#～120#支架處每間隔6～7 m 布置1 個注漿鉆孔，并安裝注漿花管及封孔，確保注漿過程中壓力可以達到3.5 MPa。封孔后1～2 h 后注漿作業，單孔注漿完畢后，停泵卸壓，移至下一注漿孔，直至所有鉆孔注漿結束。

4 效果分析

通過加強支架支護質量管理，采用整體式頂梁結構，同時在特殊地質構造下配合使用煤壁注漿加固技術，使得煤壁片幫難題得到了很好的控制，工作面煤壁片幫次數較前期降低了75%，而且片幫程度顯著降低，見表2。截止2020年8月底，工作面共推進1 400 m，推進速度相較于前期提高了20%，很好地保障了綜放工作面安全高效生產。

表2 不同時期工作面煤壁片幫情況

5 結語

頂板對煤壁施加的載荷作用是8113 綜放工作面煤壁片幫的主要原因，煤壁處煤體破壞方式為剪切破壞。現場生產中通過加強支架支護質量管理，保證綜放支架初撐力，改用整體結構頂梁加強對煤壁穩定性的控制作用，并在特殊地質構造下配合使用注漿加固的措施防治煤壁片幫的發生，取得了較好的應用效果。