綜采工作面煤壁片幫控制措施研究

李子路

（霍州煤電集團洪洞億隆煤業有限責任公司，山西 臨汾 041600）

引言

采煤綜采工作面在進行正常回采作業時經常發生煤壁片幫，使較大區域范圍的無支護空間在支架前方形成，如果頂板條件較差會造成該區域大面積的冒頂事故，從而造成頂板條件狀況更加嚴重，進一步導致支架因受力不均勻而發生損壞，對井下施工安全造成嚴重影響，對作業過程中的員工生命財產安全造成威脅。故采取相應的控制措施降低煤壁片幫發生的概率，有利于為煤礦的生產作業安全提供保障。

霍州煤電集團A礦208綜采工作面在正常回采作業中煤壁不穩定、片幫現象發生概率較高，經監測發現30 d內發生了84次煤壁片幫，不僅造成煤礦作業生產效率低下而且嚴重威脅作業人員的生命安全。因此，研究分析煤壁片幫產生的原因以及制定切實可行的控制煤壁片幫的優化措施十分有必要，有利于礦井的正常安全生產。

1 208綜采工作面概況

霍州煤電集團A礦208綜采工作面所采的4號煤層，其煤層深度為450 m，厚度為3.15～4.1 m，平均厚度為3.75 m。煤層傾角為2°～9°，平均6°，煤層頂板為砂質泥巖，部分區域發育有偽頂其大部分為泥巖及炭質泥巖，底板為灰黑色砂質泥巖和泥巖。參考巷道揭露資料，綜合研究分析208綜采工作面，該處工作面回采作業受層節理、裂隙發育情況制約。該工作面布置沿傾向，其傾向長度為200 m，推進沿走向，走向長度為1 412 m。工作面共有型號為ZZ6000-20/42的液壓支架134臺，該支架的最大支護高度、最小支護高度及有效支護高度分別為4.2 m、2.0 m和3.8 m，其平均采高按照煤層高度、頂板巖性和“三機”配套確定為3.75 m。煤層厚度變化切割煤期間務必嚴格沿煤層頂底板進行，煤層變薄時，采高在2.2 m或以上煤層變厚時，沿穩定標志層留底或留頂割煤采高最高為3.8 m。該工作面進行回采作業時煤壁片幫發生頻繁，對煤礦作業的安全造成威脅[1]。

2 煤壁片幫的主要因素

針對208工作面煤壁片幫嚴重的現狀，通過試驗力學參數測試，理論計算以及現場監測等方法，研究影響煤壁片幫的主要因素。

2.1 圍巖強度測試

探究分析導致工作面煤壁片幫頻繁產生的原因，原位取芯工作面煤體，同時試件經深加工后將其密封，并采用巖體力學試驗機測試其力學參數圍巖強度，如圖1所示，為其抗拉強度測試圖片。

圖1 煤體抗拉強度測試

結果表明：該試件的抗拉強度、抗壓強度、內聚力分別為1.8 MPa、6.24 MPa和1.36 MPa，內摩擦角為22°，其內部層理裂隙發育，表現為脆性，該工作面煤層質軟、強度較低，煤壁對頂板的支撐作用較差。

2.2 采高的影響

根據煤層頂板圍巖情況可看出，該煤層頂板為復合頂板，且部分區域發育有偽頂，頂板整體易離層垮落。該工作面采高最高值為3.8 m，已垮落巖體無法為高部位的頂板提供有效支撐，無法形成砌體梁結構，上覆巖層的絕大部分重量由煤壁和液壓支架一起承受，從而導致煤壁易發生片幫垮落現象。

2.3 支架工作阻力的影響

當支架工作阻力過高時，容易造成煤層頂板由于被擠壓產生破裂；過低時，無法有效支撐頂板，造成頂板斷裂時回轉過度，煤壁承受的頂板壓力較大導致產生煤壁片幫。故選擇合適的阻力值有利于維持綜采工作面圍巖的安全穩固。關于如何確定合適的支架工作阻力，則需理論計算其額定初撐力。

2.3.1 液壓支架初撐力理論計算

式中：P2為工作面頂板支護所需支架的工作阻力，kN；n為動載系數，取1.5～2.0，周期來壓時取大值2.0，來壓不顯著時取小值1.5；∑h為采空區頂板跨落高度，∑h=M/（K-1），M為工作面采高，取3.75，K為巖石碎脹系數，取1.35，∑h=3.75/（1.35-1）=10.7 m；r為頂板巖石容重，取2.73 t/m3；s為支架最大控頂距時支護面積，取7.8 m2；g為重力加速度，取9.8 N/kg；a為煤層傾角，取平均值5°。

在式（1）中代入各參數，經計算P2=5 561 kN，表明工作面液壓支架的初撐力至少為5 561 kN才能確保作業正常進行。

2.3.2 液壓支架初撐力現場監測

為研究208綜采工作面液壓支架的初撐力設定是否合理，現場監測了134架設備，如圖2所示為其監測結果。

圖2 工作面液壓支架初撐力分布圖

從圖2中可看出，該工作面絕大部分液壓支架的初撐力在4 600～5 000 kN范圍之間，其次分布在5 000～5 400 kN之間，初撐力分布在6 000～6 400 kN之間的液壓支架數量最少，為液壓支架總數的3%，僅有4臺。初撐力分布在4 600～5 400 kN液壓支架數量最多，為液壓支架總數的82.1%，整體看來初撐力比理論計算結果要小[2]。

2.4 工作面推進速度的影響

監測過程中發現，工作面每天的平均推進速度為3 m/d，整體較慢，如果長時間不進行回采會導致更多的頂板下沉量，從而造成煤壁對頂板的支撐壓力增加，同時煤壁在上覆巖層的重力下被壓壞，從而發生煤壁片幫現象。

3 煤壁片幫防治控制措施

1）提高工作面液壓支架初撐力，將其均調整至5 600 kN，通過支架與頂板的緊密接觸，加強支架對頂板的支護力，避免頂板過度離層的產生。

2）將工作面的日推進速度從3 m/d加速到6 m/d，工作面的停產時間縮短，工作面頂板的懸露時間也隨之縮短。在工作面回采作業遇到煤層較薄或頂板較好的狀況下，可減慢回采速度，從而檢修采掘機。

3）針對綜采工作面前方的煤壁，采取超前注漿的措施，使煤層裂隙被漿液充分填滿，在其作用下原本破碎的煤體形成穩固的整體狀況，使得工作面前方煤壁的整體強度明顯提升，從而使煤壁片幫現象減少。

4 煤壁超前注漿措施施工過程

4.1 注漿材料和性能

采用聚氨酯材料作為煤壁的注漿材料，主要是由兩種化學液體即多異氰酸酯和聚醚樹脂構成，不僅對煤體具有較強的膠結力，而且穩定性、可灌性和延性均較好，可以有效的將煤壁內部裂縫和孔洞進行充分填充，吸取部分能量同時使動載程度減弱，減少發生煤壁片幫現象。

4.2 注漿壓力及注漿孔參數設定

在煤壁中將漿液沿著注漿孔充分注入，能夠實現對松散煤體明顯的膠結、充填作用效果，該過程中要保證注漿壓力充足，且不能過大，避免造成原生裂隙擴展的更嚴重，注漿期間，設置注漿壓力為6～8 MPa，但特殊狀況下可臨時調整注漿壓力。同時，該過程中應選用分序間隔注漿的方法，以避免漿液亂串現象的發生，確保漿液的滲透性[3]。

表1和圖3為注漿孔參數及注漿布置圖。

表1 注漿孔參數

圖3 注漿布置圖

5 現場監測

綜采工作面采取煤壁片幫防治控制措施后，現場監測其連續30 d內的煤壁片幫狀況，下頁圖4和下頁圖5分別為優化前后煤壁片幫的現場監測結果。從下頁圖4中可看出，綜采工作面在未采取治理措施前，其在現場監測的連續30 d內，煤壁片幫現象總共發生了84次，片幫問題十分嚴重。但在進行優化管理后，煤壁片幫現象與優化管理前相比降低了84.5%，煤壁片幫現象僅發生了13次，綜采工作面煤壁的穩定性明顯提升。

圖4 優化前煤壁片幫情況

圖5 優化后煤壁片幫情況

6 結論

1）對于霍州煤電集團A礦208綜采工作面煤壁片幫發生頻率高的問題，通過經現場監測、理論計算、煤體力學參數測試等方法得知，其主要原因為初撐力不足、回采速度較慢及煤體整體較為松散。

2）為有效控制煤壁片幫現象，采取如下治理措施：加快工作面回采速度由原來的3～6 m/d；提高支架初撐力至5 600 kN；將聚氨酯漿液注入煤體中。

3）對工作面進行優化管理后，現場監測其30 d內的煤壁片幫情況發現，片幫現象與優化前相比降低了84.5%，結果表明，治理措施切實可行，工作面煤壁穩定性明顯提升。