特厚煤层大采高综放工作面煤壁片帮机理及控制

2022-03-08梁鸿盛

山西化工 2022年1期

梁鸿盛

（汾西矿业集团双柳煤矿，山西柳林 033300）

综放工作面，属于我国特厚煤层大采高开采主要手段，利于确保矿井集约化生产、工作面高产高效的主要路径。通过对某矿4#煤层综放工作面采煤层分析发现，煤层比较厚、容易遭受地质构造、煤岩特性，以及回采工艺等多方面因素影响，这时回采时片帮问题比较严重，对于工作面安全开采情况的影响非常大[1]。另外，为确保工作面回采工作的质量、控制片帮所致停车时间，应该以4103 综放工作面为主，加以对煤壁片帮机理方面的深入分析，然后采用相应的对策进行煤壁片帮控制工作。

1 工作面相关情况浅谈

4103 工作面处于矿井四一采区，北部、南部分别为：4102 工作面采空区、4105 和4106 工作面，西部、东部为施家窑村保安煤柱、矿界保安煤柱，工作面采煤层4#煤层、厚度约为5.5 m、倾角为3°，煤层的硬度f=3，中部存在厚度约为0.3 m 夹矸，煤层背斜构造比较稳定,为采厚煤层，4103 工作面设计走向的长度、倾斜长度、直接顶厚度分别为830 m、50 m～100 m、16 m。需要注意的是，基本顶的平均厚度为13 m 中粗粒砂岩，直接底的平均厚度为1.8 m泥岩，工作面实行放顶煤开采、回采高度和放煤的高度均在2.8 m 左右，采放比例按照1∶1.12 处理，使用的是ZF6400/18/28 支架，将额定工作阻力设置为6 200 kN、初撑力设置为5 230 kN。另外，该工作面两巷掘进的过程揭露正断层数量为12 条，落差＞1 m 占7 条、最大断层的落差为20 m，这会对工作面回采构成严重威胁。

2 片帮形式、片帮机理相关情况研究

4103 工作面回采的过程煤壁片帮局部非常严重，特别为工作面来压和过构造带时煤壁片帮问题凸显。通过现场观测情况来看，工作面煤壁片帮存在不同的片帮类型[2]：

1）拉裂式片帮作为4103 工作面片帮的基本形式占据片帮≥50%，造成该种片帮问题的原因和顶板压力下煤壁横向拉应力的出现存在联系，因4#煤层硬度f=3，因此煤体变形难度系数加大，这一应力不能经煤体变形有效释放，如果应力大于煤体抗拉极限煤壁，则会产生拉裂破裂的现象。

2）剪切式片帮多在构造带四周煤体软地带出现，占据片帮总数约20%，发生这一类型片帮情况的原因为煤壁顶板条件下煤体横向拉应力，煤体软、煤体内部出现横向蠕变致使应力释放，此时煤体内部剪切力大于抗剪强度，引发剪切滑落破坏问题的概率加大。

3）重力影响式片帮，多在煤层裂隙发育地带出现，部分煤体揭露煤体自重条件下煤壁顺着列斜面下滑，故而产生煤壁片帮的现象。经研究了解到4103工作面煤壁片帮的形式、机理，在不同煤壁片帮形式下，和煤体性质、应力作用均存在紧密的关联性，有助于加强煤体的强度，严格控制煤壁片帮的发生率不同片帮形式见图1。

图1 不同片帮形式

3 煤壁片帮的相关影响因素分析

3.1 超前支撑压力影响因素

4103 工作面煤层厚度约为5.5 m，通过研究发现，煤层更厚、煤质则会更软，煤体超前支撑力的压力则会更大，这时发生煤体片帮、顶板不稳定的情况概率比较大。站在综放工作面的角度来看，放顶煤后顶板支撑压力过大，此时易导致煤体运移量、破碎程度更加严重，进而会出现支架端头冒漏所致煤壁片帮的现象[3]。

3.2 煤层特性影响因素

4103 工作面4#煤层为中硬煤层，煤层塑形不会发生过大变化，然而局部易于遭受构造带和矿压的作用所影响，这时局部煤体呈裂隙发育、煤质处于松软的装填，构造影响的范围内煤体呈粉末状的概率加大。软硬煤体在顶板应力条件下，产生拉裂破坏的可能性非常大，但裂隙发育软煤强度不会很高、整体性欠佳，主要表现在外力作用或是应力作用下，顺着裂隙面/构造面容易引发片帮破坏状况方面。

3.3 割煤高度影响因素

通过理论、实践了解到，工作面回采高度提升、煤壁片帮问题越来越严重，4101 工作面、4103 工作面实行采高试验。将采高设置为2.2 m 时煤壁片帮率约为3%，采高设置为2.5 m 时煤壁片帮率约为4.5%，采高设置为2.8 m 时煤壁片帮率约为7%，采高设置为3 m 时煤壁片帮率约为10%，采高设置为3.2 m 时煤壁片帮率约为15%，采高设置为3.5 m 时煤壁片帮率约为20%，采高设置为3.8 m 时煤壁片帮率约为30%。由此可见，回采速度更小、煤体超前支撑作用及端头空顶的时间则会更长，而且工作面来压时煤壁片帮问题比较严重，对采高加以严格控制利于使得工作面片帮率降低[4]。

3.4 支护状态影响因素

支撑初撑力会在顶板支护下，致使顶板对于煤体压力下降，对4103 工作面支架初撑力统计了解到，支架初撑力在2 160 kN 左右，占额定初撑力40%左右，容易发生支架不接顶的问题。如此一来，在顶板压力下会直接作用于煤体，故此会发生煤体片帮问题。除此之外，采煤机的应用拉架不及时，出现端面空顶范围加大、空顶时间延长的可能性较大，且易于引发端面顶煤、顶板冒漏及煤壁片帮等现象。在对冒顶、片帮处理时，会在一定程度上延长端头无支护的时间，使得超前支撑压力影响时间延长，此时煤壁、顶煤发生破碎情况，顶板、顶煤冒漏，以及片帮等问题反复出现，造成的影响不可估量。

4 特厚煤层大采高综放工作面煤壁片帮控制对策探究

其一，确定拉架的方式，煤机后在第一时间拉架、伸开护帮板实行护帮护顶作业，如果遇到煤壁片帮和顶板冒漏的问题，马上拉超前架并在拉架后调整升架的时间，从而使得支架初撑力满足相关标准，及时实行顶板、支护作业，保证顶板、顶煤压力下降[5]。

其二，过构造带的时候煤体变软、容易发生破碎，可于煤壁搭设木锚杆/实行化学注浆加固处理，这时4103 工作面过断层可使用注浆加固方式，浆液建议采用马丽散，究其原因与该种浆液进到煤体裂隙可促使破裂煤体、岩体黏合，因而利于促使煤岩体强度加大、避免发生片帮情况。

其三，采高增加煤壁片帮率、顶板冒漏率提升，所以需严格控制采高、禁止超高采煤作业，目的是为提升支架顶梁接顶整体效果。结合4#煤层煤岩的主要特性、使用支架型号来看，4103 工作面采高应控制在2.5 m 以下。

其四，4103 工作面顶煤、顶板冒漏、煤壁片帮等问题的发生，多会通过架设倾向棚子的形式护帮、护顶，架设倾向棚子过程中要求在顶板、煤壁完整位置支架前梁头搭设倾向圆木/木板，在此之后实行顶板、顶煤冒漏，以及片帮位置支架迁移，支架顶梁于倾斜圆木和木板的下部作以升紧支架处理。煤壁片帮、冒漏小地带，进行拉超前架护顶、护帮作业[6]。

其五，明确矿压显现的主要规律、特征，要求在实际来压前进行煤壁维护作业，防止受到来压因素所影响引发煤壁大范围片帮、顶板、顶煤冒漏等现象。实行煤壁注水管理时，经煤壁注水的形式加强煤体湿润度、黏度，有助于提升煤体可塑性、降低煤尘。与此同时，4103 工作面使用的为浅孔注水，注水孔距、深度均设置为5.5 m，同时将注水的压力保持在6 MPa 左右。注水停止时间以渗出煤壁为基础，能够合理调节回采的速度，并促使超前支撑压力、来压对煤体构成影响的时间加以控制，目的为切实降低片帮情况的发生。

其六，有效控制工作面推进的速度，通过数值模拟结果可以看出，工作面推进速度每日＜5m 煤壁片帮会发生较大的改变，煤壁片帮程度会随着推进速度增加而减小。工作面推进速度＞每日5 m，煤壁片帮的深度、面积变化较小，这时继续增加推进的速度，煤壁片帮改善效果并不理想。因而要求将工作面推进速度调整为每日5 m，以此降低煤壁片帮的发生率，并确保工作面推进的整体效率[7]。除此之外，煤壁片帮控制时应该进行工作面矿压显现主要特征方面的监测，要求实行工作面来压时间预测，工作面处于来压情况下需确保支架支撑力、煤壁保护方面能力。工作面通过断层和陷落柱期间，通过注浆方式实行煤壁岩体加固，注浆材料方面建议使用黏土水泥浆，从而保证煤壁的强度。