綜采工作面煤壁片幫機理及控制技術

張 敏

（山西高平科興龍頂山煤業有限公司，山西 高平 048400）

綜采工作面在回采過程中，煤壁失穩是常見的應力顯現現象。煤壁失穩主要表現在煤壁片幫，煤壁片幫后不僅影響正常采煤機進刀割煤，影響刮板輸送機穩定運輸，而且煤壁片幫后端面空頂距加大，導致支架支護不及時，很容易出現頂板破碎垮落事故。傳統綜采工作面出現煤壁片幫現象時，主要采用及時移架、降低采煤機切割深度等措施，但是對于大面積片幫煤壁采用傳統技術措施控制效果差，不利于綜采工作面安全穩定生產。本文以龍頂山9101 工作面為例，對工作面片幫機理進行分析，并提出了合理有效的控制技術[1-5]。

1 概況

山西高平科興龍頂山煤業有限公司9101 工作面位于+901 m 水平910 采區，北、南、西三面均為實體煤，以東為運輸大巷。9101 工作面設計走向長度為2317 m，傾向長度為180 m，工作面回采煤層為9#煤層，煤層平均厚度為1.6 m，平均傾角為4°。煤層頂板多為泥巖、砂質泥巖，少量為細砂巖、鋁土泥巖，底板多為泥巖、砂質泥巖，少量為細砂巖、粉砂巖。9101 工作面采用MG330/730-WD 型采煤機（滾筒截深為800 mm，滾筒直徑為1400 mm）割煤，刮板輸送機前移配合裝運煤到橋式轉載機、可伸縮皮帶輸送機運出。采煤機進刀方式為端頭斜切進刀，進刀距離為20 m。

2 工作面回采現狀及分析

2.1 回采現狀

9101 工作面回采至447 m 處位于14#支架前方煤壁揭露F7 斷層，斷層落差為1.5 m，傾角為48°，斷層與工作面煤壁夾角為51°，斷層從14#支架向頭部逐漸揭露，對工作面影響長度為44 m。

9101 工作面回采至450 m 處位于斷層上盤處煤壁出現嚴重破碎現象，煤壁片幫嚴重。當工作面回采至458 m 時位于5#～14#支架前方煤壁最大片幫深度為2.3 m，片幫長度為6.0 m，片幫后煤壁成“滑坡”狀，導致端面空頂距達2.4 m，且支架無法及時支護。

2.2 煤壁片幫機理

（1）9101 工作面受F7 斷層影響破壞了原煤穩定結構，構造應力在斷層裂隙處進行卸壓釋放，導致兩盤煤體出現應力擴張破壞作用，兩盤煤體裂隙發育且向煤體內部延伸，工作面在回采過程中在前方10～15 m 范圍內產生超前應力區，超前應力對裂隙煤體產生向工作面方向垂直煤壁的水平剪應力破壞作用，從而導致煤壁片幫現象。

（2）工作面片幫后導致端面距加大，支架無法及時支護，頂板無法有效承載上覆巖體重力及回采應力，端面頂板承載能力降低，頂板垂直應力沿頂板向煤壁傳遞，造成煤壁產生垂直向下的剝離破壞作用，從而加劇了煤壁片幫力度。

（3）9101 工作面回采煤層厚度為3.6 m，工作面沿煤層底板進行回采，回采高度為3.5 m。受F7斷層影響后，1#～14#支架前方煤體為斷層上盤，煤體上移，工作面在回采上盤煤體時，受采煤機割煤擾動破壞作用，煤體成整體一次性片幫現象。

3 煤壁片幫控制技術

3.1 注漿加固

3.1.1 注漿加固機理

對斷層附近帶裂隙煤體高壓注漿，注漿液在裂隙帶內滲透，進行粘接凝固，對煤體裂隙進行有效的填充和粘接，對裂隙煤體進行二次重組，提高煤體整體穩定性。注漿后的凝固體具有足夠的強度和韌性，保證了注漿后煤體具有高強度承載能力。

3.1.2 注漿材料選取

根據工作面煤壁破壞特征，決定采用雙液注漿材料，注漿液采用硫鋁酸鹽水泥熟料、石膏、石灰混合注漿液，其中三種骨料配比為：1:1:7。為了保證混合注漿液具有足夠的黏度、流動性以及縮短漿液凝固時間，需在注漿液中添加減水劑、增稠劑、緩凝劑等添加劑，添加比例分別為1.0%、0.9%、0.6%。

3.1.3 注漿工序

（1）注漿鉆孔布置參數。工作面鉆孔采用淺深孔邁步式布置方式。深孔布置在距頂板1.0 m 處，鉆孔直徑為45 mm，深為6.0 m，鉆孔間距為3.0 m，鉆孔以45°仰角布置。深孔主要對工作面頂板進行超前預注。淺孔布置在距頂板1.5 m 處煤壁上，鉆孔深度為3.0 m，直徑為45 mm，鉆孔間距為3.0 m，仰角為30°。淺深孔交錯成邁步式布置，如圖1。

（2）注漿施工。注漿鉆孔施工完后，對鉆孔內安裝注漿花管，埋入注漿軟管，并對鉆孔孔口處采用止漿塞封孔處理，注漿軟管與ZBQS 雙組分氣動注漿泵連接進行注漿施工，注漿壓力控制在1.5～2.0 MPa，注漿期間發現煤壁有漿液滲出時立即停止注漿。

3.2 聚氨酯梯形錨棚支護

由于9101 工作面直接頂主要以泥巖為主，工作面煤壁出現片幫后，端面空頂距加大，頂板承載能力降低，很容易出現頂板垮落，決定對端面頂板施工錨索吊棚支護。

（1）為了便于工作面回采后直接頂能夠一次性垮落，降低支護成本費用，端面頂板施工的錨索吊棚主要由玻璃鋼加長錨桿、聚氨酯梯形梁、玻璃鋼托盤等部分組成。

（2）每架梯形錨棚配套三根玻璃鋼錨桿，錨桿長度為3.5 m，直徑為25 mm，錨桿抗拉強度為355 MPa。聚氨酯梯形梁長度為3.0 m，寬度為0.4 m，采用模具一次性澆筑而成。梯形梁具有較強的柔性，可適用大變形圍巖中。

（3）梯形錨棚沿工作面傾向布置，布置間距為1.5 m，相鄰兩排錨棚布置排距為2.0 m，且成交錯式布置，如圖1 所示。

圖1 9101 工作面片幫煤壁聯合支護平面示意圖（mm）

4 效果

（1）對煤壁注漿加固后，控制了裂隙帶范圍擴大，提高了煤體膠結穩定性，削弱了煤體內部剪應力擴張破壞作用和剝離破壞作用，減少了煤壁片幫。

（2）對端面頂板施工聚氨酯梯形錨棚支護，提高了端面頂板穩定性，防止了因支架支護不到位，導致端面破碎嚴重、頂板垮落等事故發生。

（3）9101 工作面過F7 斷層影響區期間，煤壁片幫現象得到有效控制，最大片幫深度控制在0.6 m 以下，片幫長度控制在0.9 m 以下，端面距控制在0.5 m 以下，保證了工作面安全快速推進。