趙固二礦14030 工作面煤壁片幫柔性加固方案優(yōu)化

丁先飛 王利光 李 猛

（1.焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司趙固二礦，河南 新鄉(xiāng) 453600；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100830）

隨著我國(guó)綜采技術(shù)不斷發(fā)展，設(shè)備制造與工作面管理水平逐步提高，工作面一次采出厚度逐漸增大，提高了礦井生產(chǎn)能力[1]。然而，大采高條件下綜合機(jī)械化采煤過(guò)程中，隨著采高的增加，煤壁前方支承壓力顯著變大，煤壁自穩(wěn)性降低，煤壁片幫的面積、深度和頻率也明顯增加，煤壁片幫導(dǎo)致工作面控頂距變大，引發(fā)端面冒頂事故[2]，而端面冒頂也進(jìn)一步加劇煤壁片幫，嚴(yán)重影響工作面開機(jī)率，同時(shí)也對(duì)工作面機(jī)械設(shè)備和人身安全造成巨大威脅[3]。采場(chǎng)煤壁和直接頂組成的煤巖體的穩(wěn)定性是影響工作面實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的重要原因之一。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同條件下煤壁破壞機(jī)理與防治措施進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[4]分析煤壁在自重和頂板壓力作用下主要表現(xiàn)出拉裂、剪切兩種煤壁破壞形式，并針對(duì)軟煤層提出了減緩煤壁壓力，改變煤體性質(zhì)的防治片幫措施；寧宇通過(guò)數(shù)值模擬得出了工作面長(zhǎng)度增加及采高增大會(huì)加劇煤壁片幫的發(fā)生，并設(shè)計(jì)了特種支架配合合理的回采工藝來(lái)治理煤壁片幫；方新秋等[5]分析了軟煤綜放面煤壁受力特征，提出了煤壁中圓弧狀“滑動(dòng)面”，并通過(guò)在重點(diǎn)區(qū)域采用打木錨桿的方式來(lái)控制煤壁穩(wěn)定。文獻(xiàn)[6-7]在分析了工作面穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提出了煤壁片幫柔性加固技術(shù)，利用“棕繩+注漿”這種新的煤壁柔性加固技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)錨固，而且破壞的煤體在棕繩拉力作用下不滑落，煤壁穩(wěn)定性得到提高，同時(shí)采煤機(jī)可以將棕繩割斷，不影響正常生產(chǎn)。煤壁柔性加固技術(shù)效果顯著，成本大幅降低，并在不同工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，得到了很好的防治效果，為煤壁片幫防治提供了新思路。文獻(xiàn)[7]深入分析了硬煤煤壁拉裂型破壞發(fā)生機(jī)理及影響因素，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)硬煤工作面采用柔性加固技術(shù)，證明了“棕繩+注漿”的柔性加固對(duì)煤壁拉伸破壞起到了有效抑制作用。

1 工程背景及概況

趙固二礦14030 工作面位于四盤區(qū)中部，東側(cè)為14021 工作面采空區(qū)，南鄰F18 斷層，西側(cè)為未開采區(qū)域，北鄰西軌道底抽巷等三條大巷。上順槽長(zhǎng)2095 m，下順槽長(zhǎng)2270 m，切眼長(zhǎng)201 m，可采面積約370 660 m2，地面標(biāo)高+75.3～+77.8 m。14030 工作面二1 煤厚4.8～6.1 m，平均5.9 m，煤層傾角4°～6°，煤層穩(wěn)定。煤層內(nèi)偶見夾矸，夾矸厚0.02～0.05 m，煤體內(nèi)的原生裂隙較發(fā)育，其中部分裂隙被方解石充填，其強(qiáng)度大、較為堅(jiān)硬。

2 煤壁破壞及柔性加固機(jī)理

煤壁破壞的類型總體分為兩類：剪切破壞和拉伸破壞。在軟煤狀態(tài)下，煤體處于雙向受壓的狀態(tài)下，破壞形式屬于壓剪型。在硬煤狀態(tài)下煤體處于單向受拉狀態(tài)，若煤體與頂板之間存在剪切錯(cuò)動(dòng)，裂隙從上表面發(fā)育，最終破壞形態(tài)屬于拉剪型；若與頂板不存在剪切錯(cuò)動(dòng)，煤體中出現(xiàn)的拉應(yīng)力則更高，此時(shí)屬于拉裂破壞[7-10]。如圖1。

圖1 煤壁破壞形式

煤壁片幫后，因部分支撐頂板的煤體脫落，懸頂面積會(huì)進(jìn)一步增大，即端面距進(jìn)一步加大。如此反復(fù)，會(huì)形成“冒頂—片幫—冒頂”的惡性循環(huán)，從而極大地影響工作面的安全和高產(chǎn)高效生產(chǎn)。

柔性加固機(jī)理一方面是通過(guò)漿液使具有一定剛度和伸長(zhǎng)率的棕繩很好地附著在煤體內(nèi)，形成全長(zhǎng)錨固并且適應(yīng)采動(dòng)引起的煤壁大變形，提高煤壁整體性；另一方面漿液可以擴(kuò)展到煤體的內(nèi)部裂隙中去，使得塑性煤體再次恢復(fù)到近似彈性狀態(tài)下。即使當(dāng)片幫發(fā)生后，柔性棕繩也可以將其拖住，從而使片落煤體緩慢下落，減低片幫體對(duì)工作面人員和設(shè)備的威脅。棕繩可以被采煤機(jī)割斷，經(jīng)過(guò)工業(yè)性試驗(yàn)，得到了良好的治理效果。因此不僅需要棕繩有一定的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)又要求漿液與煤體間有很好的黏結(jié)力和抗剪強(qiáng)度。如圖2。

圖2 柔性加固工藝

3 柔性加固方案及優(yōu)化

3.1 柔性加固方案

為對(duì)煤壁進(jìn)行柔性注漿加固，在工作面上下超前支護(hù)區(qū)以外各布置一臺(tái)3ZBQ6/20型氣動(dòng)注漿泵，作為輸漿泵，同時(shí)在工作面23#、85#架處各布置一臺(tái)3ZBQ40/4 型氣動(dòng)注漿泵，作為孔口注漿泵。注漿泵通過(guò)接取輸漿管內(nèi)漿液對(duì)工作面內(nèi)注漿孔進(jìn)行注漿。

施工時(shí)，先用鉆機(jī)在工作面片幫嚴(yán)重區(qū)域鉆孔，鉆孔直徑40 mm，排距4 m，孔深6 m。打孔完成后，先用鋼管將棕繩放入，然后用注漿泵將漿液注入。注漿結(jié)束后，封堵孔口。

3.2 柔性加固方案優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)，注漿孔的位置對(duì)加固效果有較明顯的影響。為進(jìn)一步優(yōu)化柔性加固工藝，通過(guò)數(shù)值模擬軟件UDEC 建立14030 工作面采場(chǎng)開挖模型，分析不同注漿孔高度對(duì)煤壁加固效果的影響，如圖3 所示。由圖3 可知，煤壁破壞最深處在煤壁中部，破壞結(jié)構(gòu)呈“月牙形”，加固后煤壁裂隙明顯減少。

圖3 不同注漿孔高度對(duì)加固效果的影響

為進(jìn)一步分析加固效果，通過(guò)fish 語(yǔ)言提取不同方案下的煤壁裂隙總長(zhǎng)度，如圖4 所示。由圖4可知，隨著注漿孔位置升高，煤壁裂隙總長(zhǎng)度呈減小的趨勢(shì)，當(dāng)注漿孔位在距底板5 m 時(shí)，裂隙總長(zhǎng)度最短。加固效果最好。

圖4 不同注漿孔高度下煤壁裂隙總長(zhǎng)度

4 結(jié)論

（1）14030 工作面煤壁片幫分為拉裂破壞和剪切破壞兩種形式，片幫后容易引起冒頂，形成“冒頂—片幫—冒頂”的惡性循環(huán)，影響安全高效生產(chǎn)。

（2）柔性加固工藝能提高煤體強(qiáng)度，使得塑性煤體再次恢復(fù)到近似彈性狀態(tài)，柔性棕繩能拖住片幫煤體，保證工作面人員和設(shè)備安全。

（3）通過(guò)數(shù)值模擬分析得到，當(dāng)注漿孔位置距離底板高度為5 m 時(shí)，煤壁裂隙總長(zhǎng)度最短，柔性加固效果最好。