厚煤层综放工作面煤壁柔性加固技术的研究与应用

张伟鑫

（山西潞安集团蒲县黑龙煤业有限公司，山西 蒲县 041200）

在厚煤层综放煤壁片帮机理方面，张文、刘少康等[1]研究得出，随着回采推进速度的增大，煤壁前方煤体的破坏深度会减小，煤体片帮几率降低，当回采推进速度较低时则相反；在煤壁片帮治理方面，尹希文、闫少宏等[2-3]通过使用压杆理论对中硬煤层的挠度进行了系统的研究，结果表明在回采工作面煤壁的中上部稳定性较差，在回采过程中应提升支架的工作阻力和初撑力，有效地利用护帮板提高煤壁的稳定性。本文对2103工作面的煤壁片帮采用柔性加固方案的具体参数进行分析研究。

1 工程概况

潞安集团黑龙煤业2103工作面主采9+10+11#煤层，煤层均厚5.6m。其中9#煤层厚度为0.8m，10#与11#煤层合并均厚为4.8m，9#煤层与10+11#煤层间存在一层均厚为1.6m的夹矸层。9+10+11#煤层上方伪顶为泥岩，均厚0.4m；基本顶为石灰岩，均厚13.7m；直接底为泥岩，均厚7.42m；基本底为细砂岩，均厚为3.43m。2103工作面采用综采放顶煤工艺，采高3m，采煤机割深0.8m。工作面范围内共探测揭露3处断层和2处陷落柱，在回采过程中易出现煤壁片帮及顶板冒落的情况，影响安全生产，需采取有效措施保证煤壁的稳定性。

2 柔性材料加固煤壁参数确定

针对2103工作面煤壁片帮的具体情况，提出采用柔性加固材料对煤壁进行加固，主要为“注浆+棕绳”的柔性支护。相关研究表明[4]，防止工作面片帮主要是防止大块煤体的片落，由于棕绳本身属于柔性材料，并且自身具有一定的抗拉强度，其与化学浆液粘接到一起后能够在较大程度上提升煤体的抗剪强度，同时注浆材料能够有效地将煤体与棕绳形成一个整体，在棕绳高延伸率特性的作用下，能够有效地防止煤块的大范围片落。

现通过UDEC2D对煤壁柔性加固技术的主要参数进行确定，由于棕绳的直径和注浆孔的合理位置是决定该种柔性支护的主要因素，对此进行模拟分析确定。

（1）棕绳直径

为确定合理的棕绳直径，主要通过对布置在同样位置12mm和20mm的棕绳进行模拟研究，根据数值模拟结果能够得出不同棕绳直径下的煤壁水平位移如图1所示。

图1 不同注浆棕绳直径下煤壁治理效果

根据图1分析，当进行“棕绳+注浆”后工作面煤壁的稳定性得到有效的提升，煤壁的水平位移出现较大程度的降低。棕绳直径12mm时，煤壁的破坏面积为2.9m2，最大破坏深度为0.8m，煤壁的中上部最大水平位移1.5m；当棕绳的直径为20mm时，工作面煤壁的破坏面积为2.5m2，最大破坏深度为0.8m，煤壁的最大水平位移为1.35m。根据数值模拟结果显示，由于棕绳的存在使得煤壁的破坏程度相应的减小，同时能够对局部已破坏煤体的进一步破坏产生抑制。综合分析认为，棕绳的直径为16mm时，柔性材料加固煤壁的效果与安全生产的匹配能够达到最佳。

（2）注浆孔的位置

在确定棕绳直径为16mm基础上，对在距离顶板2m和3m的位置处布置注浆孔进行模拟分析，根据模拟结果得出防治后煤壁的破坏效果及水平位移如图2所示。

图2 不同注浆孔位置处防治煤壁片帮的效果

根据图2可知，当注浆棕绳布置在距离顶板2m的位置处时，加固后煤壁的片帮范围大幅度减小，基本无破坏现象的出现，煤壁的水平位移为0.6m，柔性加固现象较为明显；当注浆棕绳布置在距离巷道顶板3m的位置处时，最大破坏深度为0.8m，煤壁的水平位移为1.35m。分析结果显示，注浆棕绳布置位置的不同，对煤壁片帮治理的效果差异较大。对注浆孔布置距顶板1m和2.5m的位置进行进一步模拟分析，得出最佳注浆棕绳的位置在距离顶板2～2.5m的范围内，合理的注浆棕绳位置可根据现场情况具体调整。

3 工业性试验

3.1 柔性加固方案设计

2103工作面10～20#支架处易出现大面积片帮，煤壁的片帮深度较大，50～70#支架间易出现片帮及冒顶现象。结合模拟结果对煤壁采用“注浆+棕绳”的柔性加固方案进行设计，注浆材料采用高分子材料，注浆压力设计为8MPa，采用直径为16mm的棕绳。

（1）10～20#支架处煤壁的注浆方案

根据该位置处煤壁出现大面积的片帮、片帮深度较大及煤体上方相对平整的特点，提出具体注浆位置如图3所示。在水平方向上共布置6个42mm的注浆钻孔，设置钻孔深度为5m，同时这6个钻孔距离底板的高度各不相同，在进行钻孔打设时钻孔统一向溜头方向偏移15～20°，向顶板偏移约35～40°，控制单孔的注浆量为25～30桶浆液。

图3 10～20#支架处煤壁注浆棕绳的布置位置

（2）50～60#支架处的煤壁加固方案

根据50～60#支架处煤壁出现片帮及冒顶的具体情况，在该段距离底板高度为2m、1.5m及1m的位置处分别布置直径为42mm的注浆钻孔，并安设棕绳。3个钻孔分别位于第52～53#、55～56#、57～58#间，钻孔与钻孔之间的水平间距为3m，3个钻孔距离底板的高度各不相同，分别为距离底板2m、1m和1.5m。在进行打设钻孔时3个钻孔统一向工作面顶板偏移30～40°，且两侧钻孔统一向中部钻孔偏移约15～20°，如图3所示。控制每个注浆孔的单孔注浆量为25～30桶浆液。

3.2 柔性加固煤壁效果

2103工作面煤壁采用“注浆+棕绳”的柔性加固方案后，煤壁的整体稳定性得到提升，根据现场观测知，加固后的工作面煤壁在回采推进时，基本无煤壁片帮及顶板冒落的现象出现，工作面回采期间煤壁的破坏得到了有效的控制。

4 结论

针对2103工作面回采期间易出现的煤壁片帮现象，提出采用“注浆+棕绳”柔性加固煤壁的方法来提高煤壁的稳定性方案。通过数值模拟分析得出棕绳的最佳直径为16mm，注浆棕绳的最佳布置位置在距离顶板2～2.5m范围内。在对煤壁加固后，工作面回采期间基本无片帮现象出现，为工作面安全高效回采提供了保障。

图4 50～60#支架处煤壁注浆棕绳的布置位置