厚煤层综放工作面煤壁片帮机理及防片帮技术研究与应用

武 利

（山西石港煤业有限责任公司，山西 左权 032600）

1 工程概况

石港公司15109综放工作面，位于913水平一采区，石港公司井底车场以南，15111工作面以西，15108工作面以东，工作面倾斜长度150m，走向长度1172m，所采煤层为15#煤，煤层均厚6.62m，平均倾角12°，煤层赋存稳定，较为软弱，结构复杂，一般含夹石3层，直接顶为泥岩与14#煤，均厚5.76m，基本顶为石灰岩，均厚6.09m，直接底为泥岩，均厚1.17m，基本底为铝土泥岩，均厚5.15m。15109工作面采用走综采放顶煤采煤法，平均采高为2.4m，放煤高度为4.22m，循环进度为0.6m，在工作面回采过程中出现煤壁片帮情况，故需采取有效措施以控制煤壁片帮。

2 厚煤层煤壁片帮机理

松软厚煤层在上覆岩层压力及煤体自身自重应力的作用下，会在煤壁处产生横向拉应力，煤层在拉应力的作用下会沿着煤壁竖直方向产生蠕动弯曲变形或横向位移，当煤壁内部受到的剪应力大于煤体所能承受的抗剪强度时便会发生压剪破坏，煤壁的破坏形式均为一个不稳定的滑动体，故针对滑动体结构的稳定性及受力状态进行具体分析，能够将弧形滑动面简化为平面，煤壁发生剪切破坏时最大主应力与剪切破坏面之间的夹角为π/4+φ/2[1-2]，用h表示剪切面的破坏高度，B表示煤壁的破坏深度，据此能够得出煤壁发生剪切破坏的力学模型如图1所示。

图1 煤壁剪切破坏力学模型图

根据工作面煤壁的所处的状态，采用?表示煤壁安全余量，煤壁安全余量?为滑动体所受的抗剪力D与滑动力S之间的差值，据此能够得出煤壁片帮的判定准则为：

式中：Δ为煤壁安全余量；S为剪切面抗滑力，N；D为剪切面的抗滑力，N；,结合图1与式（1）能够推导得出松软煤壁所处状态的表达式为：

式中：h为剪切面的破坏高度，m；C为煤体的粘聚力，MPa；N为剪切面上的法向力，N；φ为煤体的内摩擦角，°；α为剪切面预最大主应力的夹角，°；qT为载荷的集度，kN/m；P 为顶板压力，kN；W为煤壁破坏体的自重，kN；l为护帮板的高度，m；式中其余符号的含义同上。

当假设煤壁破坏体的厚度为1时，，则能够推导出破坏体的自重W、顶板压力P及护帮板水平护帮力T的表达式分别如下：

式中：T为护帮板的水平护帮力，kN；γ为煤体的容重kN/m3；qp为载荷集度，kN/m；其余符号的含义同上，将式（3）代入到式（2）中能够得出煤壁安全余量?的表达式如下：

通过具体分析式（3）能够得出当煤壁安全余量Δ＜0时，此时煤壁便会发生破坏，煤壁发生弧形破坏主要受到水平护帮力、顶板压力及煤体自身物理力学特性的影响，故基于此可知为有效的防治煤壁片帮现象的出现，应尽可能的提高护帮板的水平护帮力、减小顶板压力活通过提高煤体内摩擦角和粘聚力等煤体物理参数从而有效的提高煤体的抗剪强度，保证煤壁的稳定性。

3 防片帮技术设计

15109工作面进风侧部分段地质条件差，且临近侧15108工作面开采扰动等因素影响，工作面进风侧煤层松软较破碎，导致工作面煤壁偏帮严重，偶有漏顶发生，针对这种情况，提出优化综采工艺和采前预注浆等综合性措施来保障工作面煤壁的稳定性，具体煤壁片帮的控制技术措施及各项参数如下：

3.1 优化综采工艺

1）提高液压支架的初撑力及工作阻力：15109工作面回采作业时偶有出现液压支架咬死的情况，出现这种情况的主要原因为支架的初撑力力偏低，顶板下沉量大，导致支架未能够对顶板及时的增阻支护，使得顶板的下沉量增大，从而出现片帮咬架的现象，故通过提高支架的初撑力及工作阻力，及时打开侧护板，在一定程度上控制煤壁片帮和咬架现象。

2）及时伸出前探梁，带压移架：采煤机割煤后，及时伸出前探梁，避免顶板冒落，带压擦顶移架，及时支持下降的顶板，降低煤壁支撑压力，工作面端头支架移架后，应立即打开护帮板，支撑工作面煤壁。

3）在合理范围内降低采煤机的割煤速度，并在采煤机停机前进行拉移超前架的作业，据此能够有效控制部分煤壁片帮的漏顶情况出现。

3.2 煤壁注浆加固

根据15109工作面煤壁的片帮的具体情况可知，工作面回采作业时，在3～15#支架间的煤壁的片帮情况较为严重，故在此区域对煤壁进行注浆加固作业，注浆材料使用马丽散，具体煤壁注浆加固的各项参数如下：

1）注浆材料。本次工作面防煤壁片帮使用的注浆材料为马丽散，马丽散为一种双组分合成的高分子聚亚胺胶材料，其具体黏度低的特点，马丽散能够在自身膨胀作用和注浆泵机的高压作用下，充填到破碎煤岩体的裂缝和空隙内，能够有效的将破碎的煤岩体胶结为一个整体[3-4]。

2）注浆孔布置。15109工作面的煤壁的注浆钻孔采用单眼平行的布置方式，钻孔在布置工作面3～15#支架侧，注浆钻孔的间距为6～7m，钻孔垂直与煤壁打设，设置注浆钻孔孔径为42mm，钻孔的深度为5.0m，钻孔的开孔高度距离底板0.8m，具体煤壁注浆钻孔的布置位置如图2所示。

3）注浆施工工艺。在进行工作面煤壁的单孔注浆作业时，其具体流程如下：在需加固位置用钻机按设计打设注浆钻孔，钻头φ42mm，孔深5m；安装注浆花管，并在孔口进行有效的封孔后；封孔后1～2h后进行开泵注浆作业；待注浆完毕后，停泵，卸压，移至下一个注浆孔，单孔注浆结束。

图2 注浆钻孔布置示意图

4）单孔注浆量。为充分保障15109工作面在注浆加固作业后煤壁的稳定性，现进行各个钻孔的注浆作业时应保证注到不吃浆为止。具体每个注浆孔的浆液消耗量可通过下式进行计算：

式中：Q为注浆钻孔的浆液注入量，m3；β为围岩的裂隙率，取1%～5%；L为钻孔长度方向加固区域的厚度，m；λ为浆液的充填系数；R为浆液的有效扩散半径，m；A为浆液的消耗系数，取1.2～1.5。根据15109工作面的具体情况取β=3%，A=1.3，R=3m，λ=1；据此能够大致计算单孔注浆量为4.4m3。

4 效果分析

为对回采工作面采用上述防片帮技术后的效果进行有效分析，将工作面采用优化采煤工艺+注浆加固后的防片帮技术后煤壁片帮的深度、长度与工作面未采用防片帮技术前进行对比分析及数据统计。在工作面开采初期，工作面煤壁并未采用防片帮技术，此时塑性区的煤体较为松散破碎，煤壁的整体抗剪强度低，此时煤壁的易于出现冒顶及片帮情况，煤壁未采用防片帮技术前，平均的片帮深度为0.6m，最大片帮深度为1m，煤壁未采用防片帮技术前，煤壁的最大片帮长度25m，占到工作面长度的16.7%左右；在工作面采用优化后的采煤工艺+煤壁注浆防片帮技术后，有效的提高了工作面煤壁煤体的塑性和粘接性，减小了顶板压力，增强了煤体的整体性，在极大程度上缓解了煤壁易冒顶、片帮的情况，工作面煤壁采用优化采煤工艺+煤壁注浆技术后，平均片帮深度0.2m，最大片帮深度为0.5m，最大片帮长度为2m左右，基本无大的片帮冒顶事故；据此可知工作面煤壁采用优化后的采煤工艺+煤壁注浆加固防片帮技术后有效的解决了工作面回采过程中煤壁易片帮的情况。

5 结 论

针对厚煤层煤壁片帮机理的具体分析知，通过优化综采工艺、减小顶板压力或提高煤体煤体物理力学参数来保障工作面煤壁的稳定，根据15109工作面煤壁片帮的具体情况，确定采用优化采煤工艺+煤壁注浆加固的防片帮技术，并对煤壁防片帮技术的各项参数进行设计，并进行煤壁防片帮技术应用效果的分析，该技术实施后，工作面煤壁的片帮深度与长度均大大降低，有效的控制了煤壁片帮现象，保证工作面的安全高效回采。