松散煤层工作面煤壁高压注水防片帮技术研究

盛 磊

（安徽省淮北矿业集团芦岭煤矿，安徽 淮北 235000）

煤炭行业作为带动国家经济发展的重要方面，其生产的安全性也尤为重要，据不完全资料统计，2009-2018年全国发生的8 类煤矿事故类型中，由于片帮、冒顶等诱发的顶板事故造成的死亡人数相对较多，占总死亡人数的32.4%[1]。片帮、冒顶极易引起大块煤岩体的垮落，片帮造成支架前端至煤壁间的空顶面积扩大，在顶板压力的作用下，容易发生冒顶事故，从而导致机器设备损坏和人员伤亡，给工作面生产造成巨大威胁，严重影响推进速度和煤炭产量。尤其在松散厚煤层的开采中，由于此类煤层具有煤体、顶板、底板均较松散等问题，当工作面采高较大时，前方煤体裂隙较为发育，极易出现支架插底严重、支架迁移困难，煤壁片帮、冒顶等问题[2-4]。

大量工程实践表明，对含泥量较大的松散煤层进行合理的注水能够提高煤体的黏结性，有效减少工作面片帮、冒顶事故的发生[5-7]。国内外不少专家和学者对煤层注水技术进行了大量研究，并取得了较多具有指导意义的研究成果。王家臣教授[8]详细分析了极软煤层煤壁片帮与防治机理，提出通过减缓煤壁压力和提高煤体抗剪强度的技术途径来防治极软煤层煤壁片帮。李国栋等[9]采用二维离散元分析软件UDEC 在赵固二矿11011 工作面建立数值模型，通过模拟煤层注水，发现煤层应力峰值会向深部推移，有利于维护工作面煤壁稳定性，减少片帮。刘生优等[10]等采用理论分析、数值模拟和相似模拟实验相互验证的研究方法，分析并研究涡北矿“三软”近距离81 和82 煤层的煤壁片帮原因及机理，创造性地提出了煤层动压注水技术，通过提高煤体的内聚力，进而提高抗剪强度和降低抗压强度来达到治理煤壁片帮的目的，所在工作面取得了成功应用。杨治国等[11]等采取深孔中压注水后，超前增加了煤体中的水分，增加煤体整体性及抗压能力，同时使松散的煤体固结在一起，充分锈结，增强了煤体整体黏结性，片帮区域大幅度减少。黄腾瑶等[12]通过COMSOL 数值模拟软件，根据煤体含水率与水压力之间的关系，将孔隙水压达到1.5 MPa 作为煤体湿润的界限，拟合出煤层不同注水压力与湿润半径的指数型函数关系。本文将以淮北矿业集团芦岭煤矿Ⅲ811 工作面为工程背景，依据已知的煤层赋存特征，研究松散煤层浅孔高压注水技术实现煤壁的稳定控制。

1 工程背景

芦岭煤矿Ⅲ811 综放工作面煤系地层为二叠系，该含煤地层为下石盒子组。根据Ⅲ811 工作面“三巷”揭露及地面勘探资料分析，工作面区域8 煤层赋存较稳定，结构复杂，厚度3.33～14.75 m，平均煤厚8.25 m，煤层局部发育有一层夹矸；9 煤层赋存不稳定，煤层结构简单，厚度0～4.25 m，平均煤厚1.21 m。Ⅲ811 工作面8 煤层直接顶为粉砂岩，厚0～10.78 m，平均3.99 m，老顶为粉砂岩夹泥岩，局部含菱铁质结核；8、9 煤层夹矸为泥岩和粉砂岩，厚0～3.68 m，平均夹矸厚度为0.59 m；工作面直接底为泥岩，厚0～6.33 m，平均3.48 m。Ⅲ811 综放工作面煤层硬度系数f=0.16～0.53，全层极软，总体表现为松散的状态。

2 工程应用

2.1 注水参数

采用风钻配合Φ42 mm、长1 m 的长螺旋钻杆进行打眼。钻孔布置应考虑煤层孔隙、透水性、工作面采高（2.5 m）及注水扩散半径等因素，为了防止注入的压力水从煤层顶板流出及渗入顶板裂隙中，钻孔应在煤壁中上部呈近水平角度布置。实测Ⅲ811 工作面钻孔距底板高2 m，倾角向上1～5°，钻孔间距7.5 m，钻孔深度10 m，布置在两支架护帮板之间，为防止工作面两端煤壁片帮，工作面两个端头各留5 m，不布置注水钻孔。注水参数与注水孔布置示意图分别如表1 和图1 所示。

图1 注水孔布置示意图

表1 工作面注水参数

2.2 封孔装备及工艺

煤层注水效果很大程度上取决于封孔效果，芦岭矿Ⅲ811 工作面采用自动膨胀式封孔器（如图2）进行封孔作业，封孔器长度为1 000 mm。顺利完成封孔作业达到预计效果应做到：

图2 封孔器实物

（1）保证封孔器膨胀压力不低于其开启压力，低于该压力会引起喷嘴不出水，导致注水失败。

（2）封孔器受压力水作用后膨胀能紧贴注水孔，实现密封、不漏水。

2.3 注水效果

依据现场实测，芦岭煤矿Ⅲ811 工作面煤样原始含水率较低，仅有0.9%，工作面开采初期，未采用孔底高压煤壁注水时，煤体脆性大、抗剪强度低，多发生煤壁片帮现象，且多发生于煤壁中上部。生产时每班都需要进行大量支护作业，清理浮煤。采用孔底高压煤壁注水后，工作面煤体含水率增加，相邻注水孔中间的含水率增加到2.83%，煤体得到充分湿润，高压注水增加了煤体塑性和抗剪强度，提高了煤体整体稳定性（如图3 所示），减少了煤壁片帮、冒顶次数，有效地控制了煤壁稳定性，同时也具有一定的降尘效果。

图3 注水后煤壁情况

3 结论

（1）依据芦岭煤矿工作面煤层松散的实际情况，采用孔底注水，注水孔距离底板2 m，倾角向上1～5°，注水孔深度10 m，注水压力为7.5 MPa，在不影响采煤机割煤、移架的情况下，注水孔布置在两个支架护帮板的中间位置，即注水间距为7.5 m 时，且工作面两端头处各留5 m 不布置注水孔，在注水40 h（5 个检修班）后，煤体注水后符合湿润范围要求。

（2）通过封孔器按照设计参数进行注水，煤层相邻注水孔中间的原始含水率由0.9%增加到2.83%，实际观测后煤壁减少了片帮、冒顶次数，有效地控制了煤壁稳定性，工程应用效果较好。