8113综放面煤壁片帮控制技术应用

刘永锋

（晋能控股煤业集团马脊梁矿，山西 大同 03700）

综放开采因其一次采出的煤层厚度大，因而可以实现较高的生产效率[1-2]。然而，现场生产中，随着机采高度的增加，工作面经常出现煤壁片帮等问题，严重制约着综放工作的安全高效生产[3-4]。本文以马脊梁矿8113 工作面为研究背景，首先对综放开采工作面煤壁片帮机理进行分析，进而提出了综放工作面煤壁片帮的防治技术措施。

1 地质概况

马脊梁矿8113 工作面位于一水平一盘区，开采3#煤层，煤层厚度6.23～8.39 m、平均6.86 m；煤层倾角1°～4°，平均2°，普氏硬度系数2～3。煤层结构较复杂、含1～4 层夹矸，平均2 层，以泥岩为主。工作面倾向长240 m，走向长2 188 m，底板标高+866～+902 m，对应地表标高为+1 318～+1 430 m。8113 工作面采用综放开采工艺，机采高度为3.3 m，放煤高度为3.56 m。工作面采用ZF13000/25/38 综放支架，支架中心距为1.75 m，设计初撑力为10 000 kN。

3#煤层直接顶为炭质泥岩，老顶为高岭泥岩，直接底为砂质泥岩，老底为粗砂岩，见表1。工作面回采过程中煤壁片帮严重，片帮最大深度可达0.8 m，严重影响工作面生产安全。

表1 3#煤层顶底板情况

2 综放工作面片帮机理分析

一般而言，工作面煤壁破坏主要包含两种形式：一种是由于顶板岩层向下运动而在煤壁上形成的剪切力超过煤体抗剪强度造成的剪切破坏；另一种是煤体受超前支承压力作用下形成的拉应力超过煤体抗拉强度而造成的拉伸破坏，而煤壁片帮形式和煤体的力学性质有着极大关系[1]。

当煤体弹性模量较大时，煤体在上覆岩层压力及自身重力P作用下，破坏前所产生的变形量很小，应力分量σx将使得煤体产生垂直于煤壁方向的移动趋势；随着顶板压力的不断增大，σx也将继续增加，导致煤壁在中上部发生拉伸破坏，最终致使煤壁产生片帮失稳，见图1（a）。

当煤体弹性模量较小时，煤壁在上覆岩层压力及自身重力P的作用下，将发生较大程度的弹性变形，作用力P得到释放，而压力减少的部分主要沿煤壁方向，此时的合力实质为剪应力。若该剪应力超过煤体抗剪强度，煤壁将产生剪切破坏，最终形成楔形滑落体，见图1（b）。

图1 煤壁破坏形式

8113 工作面煤体普氏硬度系数介于2～3，弹性模量约为2×109，结合现场煤壁片帮形式，判断8113 工作面煤壁片帮主要以剪切破坏为主，较大的顶板压力作用于煤壁而造成煤壁破坏是工作面煤壁片帮的主要原因。

3 煤壁片帮控制措施

3.1 保障液压支架初撑力

现有研究表明提高综放支架初撑力可以有效减少煤壁片帮，但现场生产中支架初撑力经常不满足要求[7]。因此，对工作面不同区域综放支架工作阻力进行监测，监测结果见图2。由图2可知，工作面推进过程中，综放支架初撑力平均约为8 000 kN，远低于作业规程规定的10 000 kN，这使得支架不能很好的支护顶板，顶板产生较大位移，造成煤壁受顶板载荷作用而发生破坏及失稳。因此，现场加强综放工作面支架初撑力监测及管理，使得支架初撑力满足要求，从而保证煤壁稳定。

图2 支架初撑力分布情况

3.2 改变支架顶梁结构及护帮结构

综放工作面支架顶梁结构主要分为两类，分别为整体和铰接两种。采用整体结构可以增加对煤体的水平作用力，从而提高煤壁的稳定性。合适的护帮结构可以有效降低片帮发生率[2]。目前，综放工作面支架护帮结构主要分为两种，分别为护帮板与伸缩梁连体结构及护帮板与伸缩梁分体结构。目前，多数综放工作面液压支架采用连体结构，这使得伸缩梁在端面处不能与煤壁相接触，伸缩梁只能起到支护顶板的作用，而不能对煤壁移动与变形产生控制作用。现场观测表明，煤壁片帮多发生在煤壁的中上部，这也是片帮控制的关键区域。结合以往经验，8113 工作面支架护帮板及伸缩梁改用整体式结构，见图3。这样，伸缩梁一方面可以支护顶板，另一方面可以对煤壁产生一定的水平作用力。同时，通过增加二级护帮板加长护帮板的总长度，可以实现对工作面中部煤壁的有效控制，最终确保了工作面煤壁的稳定性。

图3 8113 工作面整体式顶梁结构

3.3 特殊地质构造下煤壁注浆加固

当工作面由于地质构造作用片帮严重时可采用注浆加固技术实现对工作面煤壁的控制，具体注浆方式及工艺参数如下：

（1）注浆材料。煤壁片帮加固采用的注浆材料为马丽散。马丽散是一种双组分合成的高分子聚亚胺胶材料，具有黏度低、凝固速度快、强度高的特点。马丽散可以在自身膨胀作用和注浆泵机压力作用下充填至煤体裂隙处，从而将破碎煤体进行胶结，达到控制煤体稳定的作用[5-6]。

（2）注浆孔布置。8113 工作面采用单眼平行方式布置注浆钻孔。钻孔主要布置于工作面中部煤壁区域，根据以往施工经验，钻孔的间距一般可以设置为4 台支架，即6～7 m。钻孔轴向垂直于煤壁，钻孔孔径为42 mm，钻孔的深度为6.0 m，高度为1.5 m，见图4。

图4 注浆钻孔布置剖面

（3）注浆工艺。在工作面中部20#～120#支架处每间隔6～7 m 布置1 个注浆钻孔，并安装注浆花管及封孔，确保注浆过程中压力可以达到3.5 MPa。封孔后1～2 h 后注浆作业，单孔注浆完毕后，停泵卸压，移至下一注浆孔，直至所有钻孔注浆结束。

4 效果分析

通过加强支架支护质量管理，采用整体式顶梁结构，同时在特殊地质构造下配合使用煤壁注浆加固技术，使得煤壁片帮难题得到了很好的控制，工作面煤壁片帮次数较前期降低了75%，而且片帮程度显著降低，见表2。截止2020年8月底，工作面共推进1 400 m，推进速度相较于前期提高了20%，很好地保障了综放工作面安全高效生产。

表2 不同时期工作面煤壁片帮情况

5 结语

顶板对煤壁施加的载荷作用是8113 综放工作面煤壁片帮的主要原因，煤壁处煤体破坏方式为剪切破坏。现场生产中通过加强支架支护质量管理，保证综放支架初撑力，改用整体结构顶梁加强对煤壁稳定性的控制作用，并在特殊地质构造下配合使用注浆加固的措施防治煤壁片帮的发生，取得了较好的应用效果。