亿欣煤矿XV1307综采工作面煤壁稳定性控制研究

2021-03-22彭晓东

煤 2021年3期

彭晓东

(晋能控股集团晋城煤炭事业部晋圣公司亿欣煤业，山西晋城 048200)

煤壁片帮现象频发是综采工作面进行回采时所面临的主要问题之一[1-2]，煤壁片帮现象严重，则支架前方将会形成面积较大的无支护空间，若顶板条件较差，将会引起该区域发生大范围的冒顶[3-4]，进而导致顶板条件持续恶化，更为严重时将会使支架受力不均而产生损坏，严重威胁着井下施工，运营期间的生命财产安全[5]。因此对综采工作面的优化管理，减少煤壁片帮现象的发生，对于保障矿井正常安全生产具有重要意义[6]。

亿欣煤矿XV1307综采工作面在回采期间煤壁片帮现象频发，在30 d的监测时间内片帮次数高达84次，严重影响着矿井的生产效率以及工作人员的人身安全。为了保障矿井的正常安全生产，探究煤壁片帮的原因并对综采工作面进行合理的优化管理已成为一项紧迫的任务。

1 工程概况

亿欣煤矿XV1307综采工作面所采4号煤层为山西组下段顶部煤层，埋深达到了450 m，该煤层厚度为3.15～4.1 m，平均厚度为3.75 m，煤层倾角为2～9°，平均6°，顶板为砂质泥岩，并且局部地方发育有伪顶(岩性主要以泥岩及炭质泥岩为主)，底板为灰黑色砂质泥岩、泥岩。根据巷道揭露资料以及XV1307回采工作面综合分析，此区域内煤层节理、裂隙发育，对工作面回采有一定的影响。XV1307工作面沿倾向布置，沿走向推进，其中倾向长度为200 m，走向长度达到了1 412 m，整个工作面共有134台液压支架。所选用的液压支架型号为ZZ6000-20/42，该支架最大支护高度为4.2 m，最小支护高度2.0 m，有效支护高度为3.8 m，根据煤层高度、煤层顶板岩性及三机配套，确定平均采高为3.75 m。当煤层厚度变化时，必须严格沿煤层顶底板割煤，煤层变薄时，采高不低于2.2 m，煤层变厚时，沿稳定标志层留底或留顶割煤采高不超过3.8 m。在XV1307工作面回采期间煤壁片帮现象严重，严重制约着矿井的正常安全生产。

2 工作面片帮的主要因素

为了探究XV1307工作面煤壁片帮现象严重的问题，本文采用理论计算、现场监测以及实验室力学参数测试的方法对其进行了详细研究。

2.1 围岩强度测试

为了掌握工作面煤壁片帮现象频发的原因，对工作面煤体进行了原位取芯并对试件进行进一步加工后将其密封带回实验，通过岩体力学试验机对其力学参数展开测试，测试图片如图1所示。

图1 煤体抗拉强度测试

测试结果显示该试件的抗拉强度仅为1.8 MPa,抗压强度为6.24 MPa,内聚力为1.36 MPa，内摩擦角为22°，试件内部层理裂隙发育，整体表现为脆性，表明该工作面煤层质软、强度较低，煤壁不能对顶板产生较好的支撑作用。

2.2 采高的影响

由煤层顶板围岩赋存情况可知，该煤层顶板属于复合顶板，并且局部地方发育有伪顶，顶板整体易离层垮落。该综采工作面采高最高达到了3.8 m，更高层位的顶板得不到已垮落岩体的有效支撑，砌体梁结构不能有效形成，煤壁和液压支架共同承载了上覆岩层的大多数重量，进而造成煤壁易产生片帮垮落的趋势。

2.3 支架工作阻力的影响

若支架的工作阻力过高，则煤层顶板易被挤压破碎，若支架的工作阻力过低，则不能对顶板形成有效的支撑，顶板断裂时发生过度回转，从而煤壁承受着较大的顶板压力，进而诱发片帮的发生。因此支架工作阻力的合理选取对于保持工作面围岩的稳定性具有重要意义。为了对支架工作阻力进行合理选取，本文对其额定初撑力进行了理论计算。

2.3.1 液压支架初撑力理论计算

Ρ2=(n+1)∑hrsgcosa

(1)

式中：Ρ2为工作面顶板支护需要支架的工作阻力，kN；n为动载系数1.5～2.0，周期来压时取大值，周期来压不明显时取小值，这里取1.5；∑h为采空区顶板跨落高度，∑h=M/(K-1);M为工作面采高，取3.75 m；K为岩石碎账系数，取1.35；∑h=3.75/(1.35-1)=10.7 m；r为顶板岩石容重，取2.73 t/m3；s为支架最大控顶距时支护面积，取7.8 m2；g为重力加速度，约9.8 N/kg；a为煤层倾角，取平均值5°。

将上述参数代入式(1)中，则Ρ2=(1.5+1)×10.7×2.73×7.8×9.8×cos5°=5 561 kN，即工作面液压支架的初撑力需达到5 561 kN才能满足正常的工作要求。

2.3.2 支架初撑力现场监测

为了探究液压支架初撑力的设定是否合理，对该工作面134架液压支架进行了现场监测，监测结果如图2所示。

图2 工作面液压支架初撑力分布

从图2可以看出，XV1307综采工作面液压支架的初撑力主要分布在4 600～5 000 kN，其次为5 000～5 400 kN，初撑力处于6 000～6 400 kN的液压支架仅有4架，仅占到了总架数的3%。从其分布结果来看初撑力处于4 600～5 400 kN的液压支架占到了总架数的82.1%，工作面液压支架的初撑力整体小于理论计算结果。

2.4 工作面推进速度的影响

在监测期间工作面日平均推进速度较慢，仅为3 m/d，若停采时间较长则会引起顶板下沉量的增加，煤壁对顶板的支撑压力也会随之增大，煤壁在上覆岩层的重力作用之下被压缩破坏，进而产生片帮现象的发生。

3 工作面煤壁片帮控制措施

1) 将工作面液压支架的初撑力统一提高至5 600 kN，使支架与顶板紧密接触，充分发挥支架对顶板的支护能力，防止顶板出现过度离层。

2) 适当加快工作面的日推进速度，由原来的3 m/d提高至6 m/d,降低工作面的停产时间，进而减少工作面顶板的悬露时间。当工作面回采至薄煤层时或顶板较好的地方可适当降低回采速度，对采掘机进行检修。

3) 对工作面前方煤壁进行超前注浆，使浆液对煤层裂隙进行较好的充填，通过浆液的作用使松散破碎的煤体固结为一个整体，从而有效提高前方煤壁的整体强度，减少片帮现象的发生。

4 煤壁超前注浆施工过程

4.1 注浆材料及性能

本文所选用的煤壁注浆材料为聚氨酯材料，该材料主要由多异氰酸酯和聚醚数脂两种化学液体组成，对煤体具有较强的胶结作用，同时也具有较好的稳定性、可灌性和较好的延性，能够对煤壁内部裂缝和孔洞进行充分的充填，吸收部分能量并减轻动载程度，进而降低片帮现象的发生。

4.2 注浆压力及注浆孔参数设定

为了使浆液沿着注浆孔充分注入煤壁之中，对松散煤体达到较好的胶结、充填作用，需要保证足够的的注浆压力，同时注浆压力也不能过大，防止引起原生裂隙的进一步扩展，在注浆的过程中，将注浆压力设定为6～8 MPa，若遇到特殊情况，可对注浆压力进行临时调整。为了防止浆液乱串，保证浆液的渗透性，应采用分序间隔注浆。

钻孔布置及施工钻孔参数见表1和图3。