仰采综放工作面煤壁片帮控制

2021-03-01梁哲

山西焦煤科技 2021年12期

梁哲

(山西省长治经坊煤业有限公司，山西长治 047100)

随着对仰采综放工作面煤壁片帮控制技术研究的深入以及我国煤炭行业的快速发展，仰采综放工作面技术逐渐成为开采倾斜厚煤层的主要方向之一[1-2]. 以山西省长治经坊煤矿3602工作面为工程地质背景，结合以往工程经验,通过现场调研、理论分析等手段，对仰采综放工作面煤壁片帮技术进行研究，以提高仰采综放工作面围岩控制效果。

1 工程地质概况

位于山西省长治市境内的经坊煤矿目前主要开采3#煤层，煤层平均厚度6.0 m，现开采的3602工作面沿走向长为1 600 m，沿倾向宽为200 m. 3602工作面内存在一褶曲地质构造带，造成了3602工作面综放回采期间存在仰斜开采的情形，仰斜倾角为10°～14°. 3602工作面平、剖面布置情况见图1.

图1 3602工作面平、剖面示意图

3602工作面开采至仰采大倾角段时，通过对现场工作面回采期间矿压显现进行观测和统计得知，3602工作面煤壁时常有片帮情况发生，且片帮位置主要发生于煤壁的上部分，占总体片帮事故的46.6%. 基于现场经验得知，导致3602工作面在仰采大倾角段频繁发生片帮事故的诱发因素主要有：1) 3602工作面回采期间受到较大的超前支承应力影响而煤壁内煤体的应力环境较差，煤体较为破碎且裂隙发育程度较高。2) 仰采大倾角段煤层倾角高达13°～14°，煤壁内煤体受到自身重力的分量作用而促进了煤壁片帮发生的可能性。3) 仰采大倾角段工作面割煤后液压支架难以及时随采而跟进，造成了煤壁前方存在较大的空顶距，且煤壁无法受到护帮板的及时掩护作用。

2 仰斜开采煤壁破坏机理分析

对于工作面采用仰斜开采方法的典型矿井进行统计分析发现，其工作面内煤壁片帮主要以小范围片帮为主，大面积整体片帮发生的情况甚少。工作面内煤壁小范围片帮的诱导因素主要为煤壁内煤体的自重作用和上覆顶板的压应力作用，最终导致了煤壁发生拉裂破坏(主要以硬煤为主)或者剪切破坏(主要以软煤为主)矿压显现。

2.1 煤壁拉裂破坏

煤壁拉裂破坏主要发生于脆性硬煤条件下，此类煤体在上覆顶板的压应力作用下产生了向着煤壁自由面的横向拉应力，受限于此类煤体容许变形量较小，无法通过煤体自身的大变形对横向拉应力进行释放或者缓解，进而导致煤体向着煤壁自由面的拉裂破坏，并伴有强烈的破裂声响。其具体的拉裂破坏形式见图2.

图2 仰斜开采煤壁拉裂破坏形式图

图2所示仰斜开采煤壁拉裂破坏准则为：

(1)

式中，Rc为煤壁内煤体抗拉强度，MPa；k为应力修正系数；P为上覆顶板压应力，MPa；H为工作面煤壁开采高度，m.

由式(1)可知，在上覆顶板压力不变的情况下，随着工作面煤壁开采高度的增加，煤壁内煤体易满足拉裂破坏准则而发生拉裂，可见工作面煤壁开采高度对于煤壁的稳定性影响较大。

2.2 煤壁剪切破坏

煤壁剪切破坏主要发生于软煤条件下，此类煤体在上覆顶板的压应力作用下产生了向着煤壁自由面的横向拉应力，但由于软煤可以通过煤体自身的大变形对横向拉应力进行释放或者缓解，进而导致煤体所受剪切应力大于抗剪强度而发生剪切滑动破坏。其具体的剪切破坏形式见图3.

图3 仰斜开采煤壁剪切破坏形式图

图3所示仰斜开采煤壁剪切破坏准则为：

G=D-S≤0

(2)

式中，G为安全余量值，kN；D为沿着剪切面的抗剪力，kN；S为沿着剪切面的滑动力，kN.

基于摩尔-库伦理论可以计算得到安全余量的具体表达式，如下所示：

G=Chsecα+(qhsinθ+h2γ/2)·B

(3)

B=sin(α-θ)tanφ-cos(α-θ)

(4)

式中，C为煤体黏聚力，MPa；φ为煤体内摩擦角，(°)；h为剪切面破坏高度，m；q为上覆顶板均布载荷，MPa；γ为煤体容重，kN/m3；α为剪切面与煤壁的夹角，(°)；θ为煤层倾角，(°).

由式(4)可知，随着煤层倾角的增大，B值相应的减少，当煤层倾角大于某一临界值时，此时存在B<0的情况，进而导致式(3)也小于0，即安全余量值也小于0而发生煤壁剪切破坏。

3 仰斜开采煤壁加固研究

对煤壁内煤体注入按照一定配比研制的化学浆液材料，使得该化学浆液材料很好地扩散充填于煤壁内煤体的裂缝中，进而将原本裂隙发育程度较高的煤体黏合到一起，在增强煤体完整性的同时提高煤体的力学性能参数，此方法即为注浆加固技术[3-4]. 由于工作面煤壁内煤体受到超前支承应力影响而较为破碎，因此采用注浆加固技术能够很好地提高煤壁内煤体的完整程度，进而降低仰斜开采期间煤壁发生拉裂破坏、剪切破坏等片帮矿压显现的可能性。

3.1 注浆加固参数取值

经坊煤矿3602工作面可选用强度较高、时间可调、具有膨胀性的波雷因PN-1材料为注浆原材料，该注浆原材料使用时由A和B两种不同的化学浆液按照一定的配比混合制作而成。关于3602工作面注浆加固参数的确定，首先垂直于工作面煤壁施打注浆钻孔，钻孔直径范围取值60～80 mm即可，钻孔深度取值6.0 m. 钻孔注浆压力根据工作面煤壁内煤体破碎情况和上覆顶板压应力大小设计为4.0～6.0 MPa. 现场应用期间，要确保注入煤壁内煤体中的化学浆液单孔有效扩散半径不小于2.5 m. 初步概算得知,每个注浆孔注入化学浆液的质量为250 kg左右，采用布袋进行孔口的封堵。

3.2 注浆加固方案确定

1) 超前两巷注浆加固方案。

在3602工作面超前煤壁的两侧平巷内向工作面实体煤侧施打顺层注浆钻孔，钻孔距离巷道顶板1.5 m，钻孔间距3.0 m，钻孔直径取值60～80 mm，钻孔深度为60 m，钻孔与平巷之间的夹角为60°. 工作面两侧平巷内注浆钻孔的具体布置形式见图4.

图4 超前煤壁两侧平巷内注浆钻孔布置示意图

2) 工作面注浆加固方案。

在工作面内每间隔2.0 m向垂直煤壁方向施打一组注浆钻孔，每组注浆钻孔由一个高位孔和一个低位孔组成，其中高位孔和低位孔开孔位置均距离巷道顶板1.5 m，低位孔的上仰角为10°～15°，孔深6.0 m，高位孔的上仰角为30°～40°，孔深4.5 m. 工作面内注浆钻孔的具体布置形式见图5.

图5 工作面内注浆钻孔布置示意图

3.3 煤壁片帮治理效果分析

基于上述注浆加固方案对3602仰采工作面进行注浆加固后，垂直于工作面方向对煤壁施打钻孔，使用YS(B)型矿用电子钻孔窥视仪对工作面煤壁进行窥视，窥视结果见图6.

图6 工作面煤壁注浆加固后钻孔窥视图

由图6可知，工作面煤壁内不同深度煤体处的裂缝中均被注浆材料较好的充填，进而将原本裂隙发育程度较高的煤体黏合到一起，在增强煤壁完整性的同时提高了工作面煤壁前方煤体的承载能力。同时煤壁片帮的深度、频次显著降低。现场监测得知，采取注浆加固措施后，工作面煤壁片帮的最大深度不超过0.25 m，这对于工作面的安全回采影响甚微。

采取注浆加固措施后工作面的推进速度显著提高，由原来的每天推进1.6 m提升至目前的每天推进2.4 m，且减少了耗费大量的人力、物力和时间去处理片帮、漏顶等难题，每月煤炭生产产量增加约3.5万t，经济效益可观。

4 工作面围岩其它控制技术

1) 控制工作面开采高度。

3602工作面主采3#煤层平均厚度6.0 m，所选用的液压支架型号为ZY4800/25/50，其所允许的最大支撑高度为4.8 m. 工作面开采高度进一步增加，将会超过液压支架顶梁的有效接顶范围，影响工作面内液压支架的初撑力，导致初撑力不足，工作面顶板煤岩体变形量过大，增加顶板垮冒的可能性。同时，当工作面回采推进至大倾角仰斜段，较高的开采高度会使液压支架的受力环境更加复杂，不利于液压支架控制工作面煤壁的稳定性，造成片帮事故。因此，在3602工作面仰采段将采高控制在3.0 m左右，由式(1)可知，在上覆顶板压力不变的情况下，随着工作面煤壁开采高度的减小，煤壁内煤体将不易发生拉裂，可见工作面煤壁开采高度的减小能够使3602工作面仰采期间煤壁更加稳定，减少片帮事故的发生。

2) 加快工作面推进速度。

结合相关现场生产经验可知，加快工作面的推进速度能够大幅度减小液压支架对于工作面围岩的支护作用时间，缓和工作面围岩的蠕变量，降低煤壁发生片帮的可能性。3602工作面仰采期间要保证工作面每天至少割3刀煤，每刀进尺0.8 m，日回采推进距离不小于2.4 m，有条件的情况下可以进一步增加日回采推进距离。

3) 带压移架并增加初撑力。

对于回采工作面内的液压支架，及时的带压移架并增加初撑力，能够使液压支架与工作面围岩的耦合效应进一步强化，从而降低工作面煤壁发生片帮的可能性。开始采用液压支架支护工作面围岩时，液压支架的初撑力必须达到其额定工作阻力的80%，当液压支架升架后，其初撑力必须达到其额定工作阻力的100%，直到液压支架接顶后，依旧输送乳化液3～5 s.

4) 护帮板掩护下开釆。

工作面内的液压支架通过护帮板对煤壁施加约束力，约束3602工作面仰采期间煤壁向自由空间变形移动，避免煤壁内煤体因拉裂破坏而发生片帮事故。现场具体操作顺序为：当采煤机切割煤壁内煤体并移架后，液压支架上的护帮板紧跟着采煤机的前进而及时打开支护于煤壁上，使得工作面煤壁始终处于护帮板的约束作用下，避免煤壁发生长距离大规模的连续片帮现象。