大采高工作面煤壁片帮控制技术研究

朱利军

(山西焦煤汾西矿业集团有限责任公司 贺西煤矿，山西 柳林 033300)

煤炭是我国经济有序发展的重要保障资源，特别对于厚煤层的开采，一直以高产高效作为主要目标，由此大采高一次采全厚开采工艺得到了广泛的发展[1-3]。随着该技术的应用，由于采高的增加，致使煤壁暴露面扩大，同时承载较大载荷，在矿压作用下，易导致煤壁片帮的发生，对采煤设备及作业人员构成威胁，降低开采效率，这也凸显了对大采高煤壁稳定性分析及其控制方法研究的必要性[4-6]。杨胜利等[7]分析了大采高工作面煤壁变形特征及其柔性加固机理，构建了“棕绳-浆液-煤体”本构模型，揭示了棕绳与煤壁协调变形机理；付永刚等[8]采用揭示方法研究了松软厚煤层大倾角仰采工作面煤壁片帮力学机制，提出了有效防止煤壁片帮方法；张和平[9]采用数值模拟手段对煤壁片帮影响因素进行分析，提出在顶板采用劈裂与渗透相结合的注浆加固工艺；李晓飞[10]通过对影响煤壁稳定性的因素进行分析，提出采用超前深孔预注水技术提高煤壁的稳定性，并对超前预注水技术的各项参数进行具体设计。本文以某矿大采高综合机械化开采技术为研究背景，对大采高煤壁片帮特征及其稳定性进行了分析，提出了煤壁片帮控制方法，为大采高工作面煤壁稳定性控制提供借鉴与指导。

1 工作面概况

某煤矿年产量1 200万t，主采5号煤层，85201工作面标高1 098～1 132 m，走向长度3 160 m，倾斜长度290 m，面积932 200 m2，采用大采高综合机械化开采技术，煤层顶底板详细情况见表1。工作面采取煤层倾向设计，巷道采取煤层走向设计，采高6.5 m。工作面共设置胶运巷与回风巷两条巷道。胶运巷主要用于煤炭转运与进风使用，辅运巷也用于回风使用，胶运巷与辅运巷间通过联巷联通，联巷间距50 m，主要作用于辅助倒车与材料输送，工作面布置情况如图1所示。

表1 煤层顶底板情况

图1 工作面布置图

2 大采高工作面煤壁片帮特征及其影响因素分析

2.1 煤壁片帮特征分析

大采高工作面煤壁片帮的发生受采高、矿压及裂隙等多种因素的影响[11]。对于片帮特征的分析往往通过“5点法”进行确定。对于该矿工作面片帮情况进行实测分析，如图2所示，x1到x2的距离为沿煤壁方向的水平片帮宽度，O到z1的距离为片帮高度，O到y1与y2的距离分别为顶板处片帮深度与深部片帮深度，将所有测点连接形成煤壁片帮体的几何形态，可以看出该矿煤壁片帮体为不规则“椭球形”，在垂直煤壁截面上呈现“C”形变化特征。

图2 煤壁片帮特征分析图

2.2 煤壁片帮影响因素分析

煤壁片帮的形成主要受支撑压力与矿压在时空上持续作用的结果，致使完整的煤壁从裂隙发育逐渐转化为失稳片帮。根据前述获得的片帮体空间几何形态，构建煤壁片帮模型如图3所示。

图3 煤壁片帮分析模型图

图3中，Zn为煤壁易发生片帮位置，hn为潜在片帮高度，m。在片帮面y1zn上，下滑力F下表达式如公式(1)所示。

F下=Wsinα

(1)

该面上的抗滑力F抗表达式如公式(2)所示。

F抗=Wcosαtanφ+cb

(2)

式中：W为片帮体自重，N；b为片帮面的长度，m；φ为煤的内摩擦角，°；c为内聚力，Pa。

根据极限平衡原理，得到表达式如公式(3)所示。

Wsinα=Wcosαtanφ+cb

(3)

片帮体自重与片帮高度计算式如公式(4)和公式(5)所示。

W=γhncosα/2

(4)

hn=H(1-tanα)

(5)

式中：hn为片帮高度，m；H为煤壁极限稳定高度，m。

联合公式(3)、公式(4)与公式(5)，得到煤壁极限稳定高度表达式如公式(6)所示。

(6)

(7)

根据公式(7)可以看出，煤壁极限稳定高度与煤体容重成反比，与内聚力及内摩擦角成正比关系，在容重一定的条件下，适当地增加煤体的内聚力与内摩擦角，可有效保障煤壁的稳定。在此，研究提出对煤壁进行加固来控制片帮的发展。

3 煤壁片帮控制方法

3.1 锚杆加固

85201工作面煤壁片帮较严重地段，采用木锚杆支护加固方式进行及时支护，支护方法如图4所示。钻杆顶端削尖，底端外露长度不大于110 mm，长度分别为1 500 mm和1 850 mm，直径45 mm，采取五花眼布置方式，共设置3排，眼距800 mm，上下两根锚杆与煤壁水平面夹角25°，中间锚杆与煤壁垂直。下部锚杆距底板2 500 mm，中部锚杆距底板4 000 mm。

图4 锚杆支护方式图(mm)

3.2 注浆加固

85201工作面煤壁片帮严重地段，采用煤壁注浆加固方法，研究采用马丽散进行注浆，在煤壁钻凿两排注浆孔，采取交错布置方式(图5)。

图5 注浆孔布置图

上段注浆孔深6 m，与水平面夹角为25°，中心注浆孔深4 m，水平布置方式，注浆孔水平间距3 m，垂直间距2.5 m，注浆压力6 MPa，注射花管直径12 mm，高压胶管直径20 mm，浆液完全渗透时间为15 min，单次注浆完成后需清洗管路，随后进行下一个循环注浆作业，注浆工艺如图6所示。

图6 注浆加固工艺流程图

4 煤壁片帮控制效果

片帮控制方法在85201工作面实施后，对该工作面煤壁片帮情况进行了现场统计，结果见表2。

表2 治理前后工作面片帮统计情况

由表2可以看出，对煤壁进行加固治理后，对于周期来压时期，片帮长度降低了47.4%，片帮深度减小了49.2%，片帮高度减小了42.2%；对于非来压时期，片帮长度降低了58.1%，片帮深度减小了55.9%，片帮高度减小了70.1%，煤壁片帮控制效果显著，表明了该技术对于煤壁片帮起到了很好的控制作用，可为类似情况的矿山提供借鉴与指导。

5 结 语

1) 大采高工作面煤壁片帮体为不规则“椭球形”，在垂直煤壁截面上呈现“C”形变化特征。

2) 大采高工作面煤壁极限稳定高度与煤体容重成反比，与内聚力及内摩擦角成正比关系，对于容重一定的条件下，适当的增加煤体的内聚力与内摩擦角，可有效保障煤壁的稳定。

3) 研究提出了煤壁支护加固与注浆加固相结合的片帮控制方法，给出了支护及注浆相关参数。通过现场实施，对于周期来压及非周期来压两个时期均取得了良好的片帮控制效果。