大采高工作面采场煤壁柔性加固技术应用研究

贾韶华

（潞安集团李村煤矿，山西 长治 046600）

1 工程概况

李村煤矿1306 工作面开采3 号煤层，煤层埋深500 m，煤层倾角平均4°，厚度平均5.0 m，可采长度530 m，切眼长度270 m。工作面煤层开采方式为一次采全高，循环进度0.8 m，日循环6个，工作面区域内断层等构造较少，结构简单。基本顶为细粒砂岩，厚11.9 m，深灰色，中层厚状，质地较硬；直接顶为砂质泥岩与粉砂岩互层，厚5.2 m，泥质松散，吸水性强；直接底为砂质泥岩，厚2.2 m，中层厚状，平坦状断口；基本底为细粒砂岩，厚2.4 m，钙质胶结，裂隙发育，斜层理。1306 工作面采煤机为MG750/1940-WD 电牵引双滚筒采煤机，中间支架型号为ZY13000/28/62D，过渡支架型号为ZYG13000/28/62D，端头支架型号为ZYT13000/26/55D，工作面共158 组支架。

1306 综采面开采煤层厚度大，在一次采全高的过程中，难免会出现支架移架不及时，前挡板打开较慢的情况，导致采场上方煤体裸露时间过长，造成支架前顶板冒落的问题，如图1。煤层埋藏深度加大，开采所受地应力及采动应力情况复杂，在采煤机滚筒截割压力的影响下，前方煤壁易片帮，造成割煤工序受阻，严重会导致人员损伤及设备破坏。针对工作面前方煤壁的稳定性控制，采取合适的加固方法成为1306 综采面安全生产的重要前提。

图1 1306 综采面煤壁破碎情况

2 柔性加固技术的原理

煤壁片帮或支架前顶板冒落，一般采用木锚杆支护或注化学浆液的方式进行控制，但对1306 综采面而言，木锚杆无法针对强烈采动和地应力情况做出有效支护，注化学浆液的成本又比较高，危险系数也高。

柔性加固技术就是采用柔性棕绳材料与注浆技术相结合的控制技术，如图2。棕绳作为锚杆替代体，能够将脱落煤体与前方煤体进行连接，增加了采场煤体的完整性；注浆管与棕绳配合注浆，可以进一步保证棕绳紧密地附着在煤体钻孔中，阻止煤体滑落而导致伤人事件发生。注浆后，棕绳在浆体包裹下与煤体充分粘接形成全长锚固的作用，从而实现加固煤体、控制变形的效果。因此，以“棕绳+注浆”为主的柔性加固技术是实现1306 大采高工作面采场煤壁安全保证的重要措施。

柔性加固技术涉及棕绳选择和注浆工艺两部分。棕绳的抗拉强度和伸长率均与棕绳直径成正比，塑性区破坏范围和应力峰值深度与直径成反比。随着直径的增大，破坏范围与峰值深度变化速率均不断减小，说明棕绳直径的继续增大护帮效果变化不明显。煤壁强度随注浆压力增加而增大，但超过某一限值后会出现冲蚀现象，注浆压力的大小应与煤体破碎状态相关联确定。

图2 柔性棕绳加固原理

3 采场煤壁加固

3.1 工程实践

（1）不同构造地段加固方案设计

1306 综放面煤壁确定采用“棕绳+注浆”的柔性加固方式进行片帮或冒顶控制。根据煤壁所在的不同地质构造区，工程实践采取正常地段、构造地段与其他受水文影响的复杂地段分别设计控制措施。正常段、构造段、复杂段的柔性加固方案见表1。

表1 不同构造地段柔性加固方案

（2）正常段柔性加固方案施工方案

1306 工作面以正常段柔性加固方案施工为例，对具体施工方式进行分解。

首先确定施工范围。由于煤壁主要在采场中部位置出现较严重破坏，注浆范围先选取工作面中部支架部分（支架编号为25#～126#），在遇到构造段或复杂段时可根据情况增加范围。

采用风动钻机在工作面煤壁打孔，孔径42 mm，钻深为8 m，布置在两相邻支架护帮板之间。由于正常段处矿压显现较缓和，钻孔靠近顶板打设，距底板距离为4 m，钻孔只打设一排，间距为4 m。为保证注浆对顶板最大范围加固效果，钻孔向顶板方向与水平夹角成10°打设。

棕绳直径选取为24 mm，注浆管选用32 mm 外径的铁皮管。钻孔成孔后，将棕绳与注浆管捆绑，每隔0.5 m做一个固定点，将绳与管共同放入钻孔中。

注浆材料为波雷因浆液，其中单料混合比例为1:1，注浆泵型号为ZBQ-5/12 矿用气动注浆泵。由于1306 工作面煤质较为松软，注浆压力经过优选为3.0 MPa 的低压注浆，可以促进浆液渗透至煤体裂缝中，提高加固效果。单孔注浆浆液为10～15 桶，单桶质量为25 kg，孔口出现返浆现象后停止注浆。

由于注浆孔与水平方向有一定夹角，孔口采用纱布进行漏浆控制，将强度较低的注浆管与棕绳一同留在孔内，与浆液共同作用形成全长锚固效应，如图3。

图3 柔性注浆加固工艺

（3）施工安全措施

施工段进行登高作业时，必须有专人护梯，确保人员安全；所有电器设备和管线在注浆前应用防水布和旧风筒盖好，防止浆液洒落在设备和管线上；注浆时应注意观察巷道变形和压力表情况，严禁无压力控制注浆；注浆期间处理注浆设备或管路时，必须进行卸压处理，严禁人员站在泄压阀前；严格按照设计的注浆参数进行工作，做好原始记录；出现漏浆时要及时采用黄泥或锚固剂封堵，注浆压力过大时应及时停机检查。

3.2 工程应用效果分析

为探究1306 综放面煤壁柔性加固技术的实施效果，在工作面中部支架每隔10 架布置10 个测站，观测注浆前后煤壁片帮的高度和深度，结果如图4。

图4 1306 综放面采场煤壁片帮控制比较

图4 可以看出，注浆前后无论是片帮高度还是片帮深度均呈现减小趋势，采场煤壁发生片帮的次数也呈现不同程度降低。采用柔性注浆加固技术前，片帮高度为0.8 m 时发生的次数最多为28 次，片帮深度为0.2 m 时的次数最多为19 次。采取控制措施后，片帮高度发生最多次数为14 次，破坏高度仅为0.5 m，片帮深度0.2 m 的发生次数也降低到了11 次。

从工作面生产推进过程来看，采场处理煤壁片帮时间从90 min 降低到25 min，降幅达72%，工作面日产量也从0.86 万t 提高到1.12 万t，增幅30.1%。1306 工作面整体生产流畅度增强，人员及设备安全性得到保障，能够满足1306 大采高综采面安全高效的技术经济效益。

4 结论

棕绳的高伸长率和强抗拉的力学特性，结合注浆作用的柔性加固系统能够在煤体中形成全长锚固的作用，将松动煤体稳固地附着于原有煤体之中。1306 工作面在采用“棕绳+注浆”柔性加固技术后，煤壁发育的深度、高度和占据工作面的范围均大幅减小，工人劳动强度和设备安全性得到保证，1306综放面的技术经济效益能够最大限度实现。