芦岭煤矿松散破碎煤层注水增稳技术研究

张 勇

（淮北矿业股份有限公司芦岭煤矿，安徽 宿州 234113）

随着综合机械化程度的提高，制约综放开采安全高效的主要问题之一是工作面煤壁片帮及端面煤岩稳定性差。煤壁片帮增大了端面无支护空间，导致端面顶煤漏冒，同时端面漏冒进一步加剧煤壁片帮，影响工作面快速推进，制约矿井安全生产。

国内学者对综放工作面的煤壁片帮和稳定性控制做出了大量的研究。尹希文等[1]采用压杆理论，得出工作面煤壁在中上部最易发生片帮；庞义辉等[2]确定了煤壁破坏影响因素敏感性的排序为：煤体内摩擦角、内聚力、抗拉强度、采高、埋深、支护强度；王家臣等[3]提出防治极软煤层煤壁片帮主要技术途径为减缓煤壁压力和提高煤体抗剪强度；王红伟等[4]揭示了工作面倾角对煤壁片帮的影响机制；夏永学等[5]研究得到煤壁变形和破坏严重程度与割煤高度成正比的定性关系；宋振骐等[6]研究了采深、采高和煤体硬度3个因素对煤壁片帮的影响规律。

针对综放工作面煤壁片帮的机理与控制技术取得的大量有益的研究成果，得到煤体的物理力学性质是影响煤壁片帮的最主要因素，对其进行改性是煤壁稳定性控制的重要途径。基于此，本文以芦岭松软破碎煤层为研究对象，提出煤层注水防煤壁片帮技术措施，以型煤理想含水率试验为基础，优化煤层注水参数，提高了煤壁稳定性，为工作面安全生产提供技术支撑。

1 工程背景

芦岭Ⅲ811工作面采用采9煤放8煤综放工艺。8煤层厚6.28～13.25 m，平均8.5 m，9煤层厚0～4.25 m，平均1.21 m，上距8煤层平均3 m，可与8煤层作为一层煤考虑，煤体坚固性系数f=0.11～0.46，平均0.26，属特厚极松软煤层。利用场发射扫描电子显微镜分析8煤煤样的孔隙特征，图1为500倍水平下8煤试样的SEM图片。

图1 8煤扫描电镜结果

从图1可以看出，8煤存在内部煤基质表面凹凸不平，煤基质呈现微棱片状，表面附着微颗粒等特征，微孔和微裂隙较为发育，导致8煤层易破碎。

2 煤壁片帮机理

工作面前方煤体的塑性区是煤体片帮的主要发生处，并且煤壁前方的塑性区随着煤普氏系数的降低而变宽。塑性区的增大增加了煤壁片帮的几率。煤体前方根据支承压力的大小依次分为塑性区（Ⅰ区和Ⅱ区），弹性区（Ⅲ区），原岩应力区（Ⅳ区），如图2所示。

图2 煤壁前方支承压力分区

Ⅰ区内的煤体所承受的支承压力值低于原岩应力，而Ⅱ区靠近弹性区，承受的支承压力值远高于原岩应力，且出现支承压力峰值，造成松软煤体的节理、裂隙发育，自身承载强度降低，持续抗压性减弱，易发生煤壁剪切破坏。因此，塑性区的宽度越大，煤壁越容易产生片帮、冒顶等现象。煤壁前方塑性区宽度的计算表达式[7]：

式中：M为煤层平均厚度；k为支承压力系数；T为支架最大平均护帮力；φ为煤体内摩擦角；c为粘聚力；γ为煤体容重。

可见，塑性区宽度的变化规律与中间主应力、采高、开采深度、护帮力、煤体内摩擦角及粘聚力等因素有关。由于开采深度不可改变，所以在Ⅲ811综放工作面的回采过程中，为了减小塑性区宽度可以通过降低采高、增加支架的护帮力、增大煤体的内摩擦角和粘聚力的方法来实现。综合考虑经济效益等因素，提出煤层注水防片帮技术方案。

3 煤壁注水力学性质试验分析

3.1 煤样含水率测试

选取Ⅲ811综放工作面上、中、下3个区域的煤样进行原煤含水率测定。通过测定，Ⅲ811工作面煤样的原始含水率在2.61%～3.62%之间，平均含水率为2.98%，不足3%，自然含水率较低。

3.2 不同含水率煤样单轴压缩及剪切试验

由于Ⅲ811工作面回采的煤层无法取样加工原煤试件，通过制备不同含水率的型煤进行单轴压缩和剪切试验。

3.2.1 不同含水率煤样单轴压缩试验

制备规格为Φ50×100 mm的型煤试样，含水率分别为0.62%、1.75%、2.65%、3.64%、4.96%、6.33%。利用WAW-2000万能试验机进行试验，加载速率为0.2 mm/min。通过试验得到不同含水率型煤试样峰值应变、峰值强度与含水率的关系曲线，如图3所示。

图3 峰值应变、峰值强度与含水率关系

由图3可以看出，峰值应变随着含水率的增加而增加，在含水率达到5%以后趋于平稳；煤样峰值的强度随着含水率的增加而减小，在含水率达到5%以后趋于平稳。峰值应变与峰值强度变化趋势相同，在约6%的含水率时基本保持不变。可以得出煤壁理想的含水率应在5%～6%之内。

3.2.2 不同含水率煤样剪切试验

选取5组分别为1.06%、2.45%、3.62%、5.62%和6.59%的含水率煤样进行剪切试验，加载速率控制为0.3 mm/min。图4给出了不同含水率煤样剪切试验剪应力-应变曲线。

图4 不同含水率煤样剪切试验剪应力-应变曲线

由图4可知，不同含水率煤样剪应力-应变曲线可划分为初始孔隙及裂隙压密阶段、弹性阶段、破裂阶段及峰后破坏阶段。煤样加载初期，曲线呈上凹型且斜率渐增，煤样剪切模量随之渐增；随加载力增大，剪应力-剪应变近似呈一次线性增长；加载力继续增大，剪应力-剪应变呈非线性增长关系，曲线斜率减小，直至达到峰值剪切强度时，煤样发生剪切破坏。

煤样的峰值剪切应力和峰值剪应变随含水率的增加而逐渐增大，说明对“松软”煤层进行注水作业，能在一定程度上提高其自身的抗剪强度和塑性变形量。

综合分析，含水率的增加能弱化煤体的抗压强度，强化煤体的抗剪强度及峰值应变等塑性参数。Ⅲ811综放工作面生产过程中煤层理想含水率应控制在5%～6%之间。

4 煤层注水参数设计及现场实践

综放工作面煤壁注水作业中一个关键的技术问题是注水技术参数的确定，分为几何参数和物理参数，注水孔深度、注水孔位置与注水孔间距为几何参数，注水压力、单孔注水流量与注水时间为物理参数。

4.1 参数设计

Ⅲ811工作面机采高度2.5 m，得到工作面前方塑性区宽度为4.29 m，同时根据压杆理论得到煤壁易发生片帮的位置为煤壁中上部0.6倍采高处，结合现场实际情况，设计煤层各项注水技术参数见表1。

表1 Ⅲ811综放工作面煤层注水技术参数

4.2 现场实践

根据现场实测可知，芦岭矿Ⅲ811综放工作面原始平均含水率为2.98%，煤体抗剪强度低，易片帮，平均片帮深度0.9 m，片帮长度占工作面的58%左右。工作面回采过程中，采用煤壁浅孔动压注水后，工作面煤壁含水率由2.98%增加至5.35%，符合实验室测定的理想含水率5%～6%范围，增加了煤体的塑性和抗剪强度，煤体的整体承载强度得到提高，片帮现象明显减少，平均片帮深度0.39 m，片帮长度占工作面的21%左右，提高了工作面开机率，月推进度提高至65 m，实现了煤壁稳定性的良好控制。

5 结论

（1）分析了影响煤壁片帮的因素，提出煤层注水防片帮技术方案，通过不同含水率型煤力学性质试验，得到Ⅲ811工作面理想含水率为5%～6%。

（2）设计了Ⅲ811煤层注水参数，现场实施工作面煤壁浅孔动压注浆后，含水率由2.98%增加至5.35%，平均片帮深度由0.9 m降到0.39 m，实现了煤壁稳定性的良好控制。