综采工作面煤壁片帮机理分析及预防措施研究

刘金海

（西山煤电集团马兰矿，山西 古交 030205）

1 概 述

西山煤电集团28307工作面位于北三下组煤采区右翼，工作面运输顺槽里程1130～1158 m东南侧为28110采空区，回风顺槽938～1130 m西北侧为28106采空区，工作面上部实体间隔35 m为22307、22308、22310采空区。

28307工作面设计走向长度为1400 m，倾向长度为178 m，回采煤层为石炭系太原组8#煤层，煤层平均厚度为3.5 m，煤层直接顶主要为深褐色的炭质泥岩，裂隙发育，平均厚度为2.85 m，基本顶主要以灰白色的中细砂岩为主，平均厚度为3.5 m。

根据28307工作面水文地质资料显示，工作面回采至970 m处揭露一条逆断层F11，断层落差为1.2 m，倾角为45°，断层贯穿整个工作面，从回风顺槽970 m处揭露，从运输顺槽1105 m贯穿，断层与工作面呈15°夹角。如图1所示。当工作面尾巷揭露断层时，头巷与断层最大间距为45 m，此时受工作面构造应力以及两翼及上覆岩层采动压力影响，工作面煤壁出现严重片帮现象，片帮最大深度达1.5 m，片帮处顶板破碎，造成工作面回采效率低，回采速度仅为1.2 m/d。为了进一步提高工作面回采效率，综采一队通过技术研究，对工作面煤壁片帮机理进行分析，并提出有效的预防措施。

2 28307工作面煤壁片帮机理

2.1 外力作用

工作面回采至938～1158 m处时工作面两翼分别为28106及28110采空区，上覆岩层35 m处为22307、22308、22310采空区，受采空区压力及回采压力影响，工作面煤体前方20 m范围内超前支承压力加大，而工作面在接近F11断层时煤体稳定性差，抗压能力低，煤体无法承载超前支承压力，从而造成煤壁片帮。

2.2 液压支架初撑力、工作阻力低

工作面在过断层前，顶板出现破碎现象，局部地段出现冒顶致使支架上方处于空顶状态，支架与顶板接触不严实，从而造成支架初撑力、工作阻力降低。实测发现28307工作面在过断层前，支架平均初撑力为1334.6 kN，为额定初撑力的41.7%；工作阻力为 2311.53 kN，为额定工作阻力的57.24%；当支架初撑力及工作阻力不足时，顶板压力与支架支撑力无法取得平衡，顶板压力向煤壁侧移动，造成工作面煤壁压力加大，发生煤壁片帮。

2.3 工作面推进速度慢

28307工作面在过F11断层前平均回采进度仅为1.2 m/d，工作面回采速度慢，停采时间长，随着顶板的周期性垮落，顶板的下沉量增加，且停采时间越长，顶板下沉量越大，从而造成端面空顶处及煤壁上方顶板压缩破坏严重，顶板对煤壁产生剪切破坏，当煤壁剪应力大于抗剪强度时煤壁发生片帮。

3 煤壁片帮预防措施

研究后决定对28307工作面中上部煤壁采取“聚氨酯加固技术+撞楔超前支护”等联合预防措施。

3.1 聚氨酯加固技术

（1）采用的聚氨酯材料主要由聚醚、多异氰酸脂组成，采用药包法对片帮煤壁进行加固。

（2）由于28307工作面煤壁片帮高度达2.0m，所以采用手持式钻机在工作面施工两排聚氨酯加固孔，钻孔排距为1.0m，间距为1.0m，钻孔深度为2.0m，第一排钻孔距工作面顶板距离为0.5m，两排钻孔成三花布置。

（3）在每个钻孔内依次填装A、B两种药包，药包长度为0.35 m，直径为300 mm，A药包内装入聚醚，B药包内装入多异氰酸脂，每个药包装药量为250 g，每个加固孔内填装4卷药包，且两种药包相间填装。

（4）加固孔内药卷填装完成后，采用端头为方形的锚杆插入孔内，另一端连接钻机，并开动钻机进行药包搅拌混合，搅拌时间为30 s，搅拌到位后立即采用木塞封孔，封孔深度不得低于0.5 m。

（5）煤壁通过聚氨酯加固后，在割煤过程中，应根据实际情况决定是否继续循环加固，当割煤时发现煤壁仍较松软，工作面每推进2.0 m必须再次进行加固，直至煤壁稳定为止。

3.2 撞楔超前支护加固顶板

（1）为了防止割煤过程中造成采煤机截割部损坏，28307工作面施工撞楔超前支护体采用特制加长高预应力玻璃钢树脂锚杆，树脂锚杆长度为3.5m，直径30 mm。

（2）首先在工作面煤顶位置施工一排超前支护孔，支护孔垂直煤壁布置，孔径为42 mm，孔深为3.0 m，孔间距为1.5 m。

（3）支护孔施工完后，在钻孔内依次填装三支锚固剂及树脂锚杆，锚固剂采用矿用快速型及超快型，即一支MSKC23/35型，两支MSKC23/80型；采用手持式钻机连接树脂锚杆并转动钻机进行支护体锚固，钻机转动时间不得低于45 s。

（4）撞楔超前支护施工完后，在割煤移架时使支架顶梁紧贴超前支护体，并进行带压擦顶移架，工作面每推进2.5 m施工一排撞楔超前支护，相邻两排超前支护交错布置，交错距离为1.0 m，直至工作面顶板及煤壁稳定后停止施工。

4 应用效果

（1）28307工作面片帮煤壁采取聚氨酯加固技术后，破碎煤体形成一个整体，有效提高了煤体抗压强度，通过实验表明，聚氨酯加固后的煤体单轴抗压强度提升至11.87 MPa，大大提高了破碎煤壁稳定性，在后期回采过程中未发生严重片帮现象，当工作面机头15#～4#支架回采至距F11断层5.0 m处片帮相对严重，但最大片帮深度仅为0.3m，工作面煤壁片帮现象得到了有效控制。

（2）28307工作面顶板施工撞楔超前支护后，提高了液压支架初撑力及工作阻力，现场数据收集显示，撞楔支护施工完后有效控制顶板破碎现象，工作面移架时紧贴超前支护体，未发生支架倾倒、顶梁插入破碎顶板等现象，支架初撑力提高至2848.4 kN，为额定值的89%，工作阻力提高至3634.5 kN，为额定值的90%，而且加快了工作面移架、割煤速度，平均回采量达5.8 m/d。