松軟煤層大采高片幫冒頂防治技術

郭小將

（汾西礦業安全監察中心，山西 介休 032000）

0 引言

當開采煤層厚度較大且較為松軟時，煤炭回采期間容易出現片幫問題，特別是回采遇地質構造發育區，煤壁片幫、冒頂等問題更為突出，給煤炭安全回采帶來制約[1-2]。近些年來，國內多個礦井曾出現片幫、冒頂傷人事故，如莊旺煤業50206 回風順槽巷道、柴達爾煤礦301 采區3690 綜采工作面等均出現冒頂事故，造成多人傷亡并帶來嚴重的經濟損失。片幫、冒頂等事故與煤層性質、頂板巖性、開采地質條件以及煤炭開采工藝等因素密切相關，眾多的學者對片幫、冒頂防治技術展開研究，并提出通過注漿、注水、提高采面頂板支撐強度、補打木錨桿以及適當提升推進速度等方式進行片幫、冒頂防治，現場應用取得一定效果[3-5]。山西某礦31302 綜采工作面回采13#煤層松軟且厚度大，采面煤炭回采期間煤壁容易片幫進而導致頂板空頂、冒落等問題，文中就以該采面回采為工程背景，結合以往研究成果針對性提出片幫、冒頂防治技術，以期更好的促進煤炭安全高效開采。

1 工程概況

1.1 地質概況

31302 綜采工作面位于南翼三采區，采面設計傾向長300 m、走向長2 850 m，開采的13#煤層厚度介于3.6～6.9 m、均值5.3 m，煤層傾角3°～11°，煤層松軟，頂底板巖性以砂巖、泥巖、粉砂巖為主，具體如表1 所示。31302 綜采工作面采用U 型通風方式采高為5.3 m，配備7LS7-LWS923 采煤機，液壓支架選用ZY13000/28/63D、空頂距4 950～5 750 mm，液壓支架由電液控制系統控制，自動化程度較高。根據已有地質資料顯示，在31302 綜采工作面回采期間會遇地質構造影響帶，期間煤層及頂底板裂隙發育。

表1 13#煤層頂底板巖性

1.2 片幫情況

在31302 綜采工作面回采期間，采面中部位置片幫較為嚴重，對片幫情況進行監測，具體如圖1 所示。從監測結果看出，采面中部最大片幫高度接近1 300 mm、最大片幫深度接近950 mm，片幫發生主要集中在采面靠近頂板上部位置。采面片幫發生后會導致頂板出現一定懸空問題，雖然通過支架頂梁、伸縮板等支護，但是支護強度仍較低，存在一定程度的冒頂風險。

圖1 煤壁片幫監測結果

2 片幫冒頂防治技術

增強煤體以及頂板穩定性是實現片幫、冒頂防治的關鍵，為此提出以注漿為主的片幫、冒頂防治技術，并輔助采用增大采面支架支撐強度、及時前移液壓支架等措施。注漿時機、注漿參數會直接影響煤體及頂板注漿效果。為降低注漿給采面生產影響，注漿以回采巷道內超前注漿為主并輔助采面內局部注漿。

2.1 回采巷道超前注漿

2.1.1 注漿加固時機

回采巷道超前注漿加固時機會直接影響注漿加固效果。煤炭開采時超前采面一定范圍的煤體及頂板巖體在動壓影響下會產生一些裂隙，在裂隙擴展范圍且不會采面回采帶來影響位置進行注漿，不僅可提升注漿效果而且可以降低注漿給回采影響。31302 綜采工作面超前支承壓力分布，如圖2 所示，由于13#煤層頂板承載能力較差，開采后超前支承壓力影響影響范圍在采面前方55 m 以內。

圖2 31302 超前支承壓力分布范圍

根據采面超前支承壓力分布及對頂板、煤體裂隙發育影響，分為4 個區域，具體各區域分布范圍、裂隙擴展情況以及注漿可注性分析結果為：區范圍在采面前方0～4 m，該范圍受采動影響較為顯著，煤體及類型發育，若在此范圍進行超前注漿則面臨漏漿嚴重、可注性差等問題，同時鉆孔施工成孔困難；區范圍在采面前方4～20 m 區間，該范圍煤體內承受較大的超前支撐壓力，煤體破碎程度增加、裂隙發育且部分裂隙與采面聯通，在注漿時容易導致漿液外溢，同時注漿點位于回采巷道超前加固區，注漿空間受限；區位于采面前方20～55 m 范圍，該范圍在采前超前支承壓力影響下裂隙有所擴展，適合采用高壓注漿，同時不在超前支護區，注漿空間更大同時安全性更好；區位于采面前方55 m 以外范圍，采動影響較小且裂隙不擴展，注漿難度較大。綜合上述分析，認為合理的注漿時機應為超前采面前方20～55 m 范圍，綜合考慮巷道頂板條件、超前支承壓力影響等，將注漿時機確定為采面前方30～45 m 范圍。

2.1.2 鉆孔鉆孔布置

具體采面注漿暫鉆孔布置，如圖3 所示。在運輸巷及回風巷內均施工注漿鉆孔，鉆孔孔深統一為150 m。超前采面50 m 以外范圍內即施工注漿鉆孔，鉆孔施工完成后先不注漿，待鉆孔距離采面30～45 m 時，開始進行深孔高壓注漿。由于煤壁片剛主要集中在采面靠近頂板位置，因此布置的注漿孔開孔位置偏向煤層上部且有一定的仰角，便于排渣以及對頂板進行加固。

圖3 超前注漿孔布置示意圖

超前注漿孔孔深均為75 mm、鉆孔布置2 排、排距為1 m，鉆孔間距為10 m，2 排鉆孔呈三花眼布置，下排、下排鉆孔開孔距巷道頂板2、3 m。注漿材料選用加固1#，有效擴散半徑5～8 m。注漿壓力為15～20 MPa，注漿泵型號為ZBYSB190/32-55。

2.2 采面局部注漿

在31302 綜采工作面回采期間遇煤壁片幫嚴重區或者超前注漿加固空白區時，可在采面檢修班進行局部注漿，提升煤體穩定性。具體采面內注漿鉆孔布置如圖4 所示，注漿孔開孔布置在距離底板2 m 位置，仰角25°～35°、孔深6.0 m、間距5 m。注漿漿液選用聚氨酯，注漿壓力5 MPa 以內。采面內采用便于移動的PTU-MZI 注漿泵，該注漿泵注漿壓力0～8 MPa可調。

圖4 采面局部注漿示意圖

2.3 其他輔助措施

在采用注漿措施后，可輔助采用強化頂板、液壓支架管理等措施對片幫、冒頂進行防治，同時在條件允許是可適當增加開采速度。

1）適當增大液壓支架支撐阻力，提高對頂板支護強度，確保支架、頂板、煤壁穩定；采煤機割煤后通過電液控制系統及時推移液壓支架并伸出護幫板給煤壁一定水平作用力；超前采煤機1～2 個支架回收護幫板，減少煤壁未支護時間，有助于維護煤壁穩定。

2）當采用注漿等措施仍出現煤壁片幫嚴重問題是，可配合采用木錨桿、玻璃鋼錨桿等方式對煤壁進行加固。

3 現場應用效果

31302 綜采工作面回采巷道注漿期間，單孔注漿量在0.8～1.9 t 間，注漿時間控制在2 h 以內，注漿加固后煤壁片幫及冒頂問題基本得以杜絕，采面基本不需要注漿或者施工錨桿等措施，僅需要強化頂板及液壓支架管理即可。對片幫、冒頂防治措施應用前后采面片幫治理效果進行分析，具體如圖5 所示，在防治措施應用后煤壁片幫次數減少68%以上，雖然局部位置有片幫發生但是片幫寬度、深度均較小，不會導致頂板懸空問題。

圖5 片幫治理效果

4 結論

1）31302 綜采工作面存在煤壁片幫、部分位置出現漏頂問題。提出以超前注漿為主的片幫、漏頂防治技術，通過注漿提升松軟煤體及煤層頂板承載能力，降低片幫、冒頂方式率。

2）依據現場情況結合超前支承壓力分布情況，確定合理的注漿加固時機為超前采面30～45 m；在采面回風巷及運輸巷均布置孔深150 m 鉆孔，向鉆孔內注入加固1#漿液并采用高壓注漿，設計超前注漿鉆孔布置方案及注漿參數。在局部片幫嚴重區域或者超前注漿空白區，輔助采用采面局部注漿，注漿漿液選用聚氨酯，注漿壓力在5 MPa 以內；在采面回采時強化頂板、液壓支架及煤壁管理，避免片幫、冒頂發生。

3）現場應用后，31302 綜采工作面回采期間，煤壁片幫、冒頂發生率及影響程度明顯降低，局部位置出現的片幫深度及高度均在300 mm 以內，不會給采面生產帶來顯著影響。