大采高综采工作面煤壁片帮综合治理技术研究

2022-06-04郭礼忠

山西冶金 2022年2期

郭礼忠

（汾西矿业集团调度指挥部，山西介休 032000）

在大采高综采面作业过程中，因受煤质本身和地质等方面因素的影响，容易产生比较严重的煤壁片帮问题，影响工作面正常生产与生产安全。因此，有必要在明确煤壁片帮影响因素的基础上，制定有效的综合治理技术。

1 工程概况

某煤矿煤层倾角在8°左右，煤层埋深约560 m，层厚约3.6 m；伪顶以泥岩与炭质泥岩为主，厚度在0.8 m 以内；直接顶以泥岩为主，厚度在1.0～6.5 m 范围内；老顶以砂岩为主，粗粒、中粒与细粒均可见，厚度在1.00～19.04 m 范围内；底板以泥岩与砂质泥岩为主，厚度在9.10～17.27 m 范围内。煤体硬度较大，属坚硬类范畴。采煤工艺为走向长壁综合机械化开采，采用垮落法进行顶板管理。该煤矿首采工作面总长约110 m，回采时没有采取有效的防片帮措施，导致工作面片帮情况比较严重，特别是工作面的中部。根据初步统计，片帮总长度可以达到工作面40%。

2 影响因素分析

2.1 煤质

在煤层比较松软的情况下，顶板有很小的压力就会将煤壁压垮，导致煤壁片帮，而当煤层硬度相对较大时，即便顶板有良好的完整性，也很容易产生煤壁片帮。其原因为：储存在坚硬类煤中的能量远远高于松散类煤，能量一旦释放，将瞬间发生煤壁片帮，而且其严重程度也高于松散类煤。在工作面随机抽取三组样品，测定其物理力学参数可得，其坚固性系数为3.01～4.42，为典型的坚硬类煤，因此该工作面煤壁片帮的产生和煤质之间有直接关系[1]。

2.2 地质

当煤层中的节理与裂隙均较发育时，也容易引起煤壁片帮。其原因为：节理与裂隙的存在会在煤层当中产生弱面，使煤层强度大幅降低，导致煤体结构松散，从煤层上发生脱落，特别是存在大量横向节理时，受支承压力持续作用后裂隙逐渐贯通，产生自由面。在该工作面的现场实施超声波测试，根据不同位置反馈的声波速度，煤壁中部反馈的声波速度相对较小，而且变化范围很大，这在很大程度上说明该位置存在很多裂隙，煤体的均质性相对较差；而上下部反馈的声波，其速度变化范围并不大，且煤体的完整性也较好，说明裂隙发育并不明显。以上结果和现场煤壁片帮实际情况基本一致[2]。

2.3 薄基岩

根据相关地质资料，在工作面的上方，其基岩厚度最小只有35 m，完成开采后老顶发生垮落，上方基岩无法形成砌体梁结构，进而不能有效分解载荷，特别是顶板来压以后，将导致台阶式下沉，岩块直接作用于煤壁与支架，使煤壁受力大幅增加，最终造成煤壁片帮。

3 综合治理

3.1 高压注水

通过对防片帮技术的深入研究可得，在煤层中进行钻孔注水能增强煤体自身黏聚力与抗剪强度，因煤层注水有很强的可操作性，且成本也相对较低，所以在诸多防片帮技术措施当中，它是较为常用的一种。根据松散煤体自身黏聚力与抗剪强度和含水率之间的变化情况可知，当煤体含水率不断增加时，其黏聚力与抗剪强度也明显提高。通过高压注水，能使湿润半径变大，使注水所需时间逐步缩短，并增大注水孔的孔径，注浆孔布置如图1 所示。结合以往相关研究成果，在充分考虑该工作面具体情况的基础上，将注水孔的深度确定为100 m，将注水压力控制在25～30 MPa 范围内，并按照5 m 以上的长度进行封孔，孔之间的距离按8 m 控制，相邻两次注水间隔24 h的时间，每次注水的注水量按不少于320 m3控制[3]。

图1 注浆孔布置

3.2 “4+2”割煤法

该工作面最初采用的是双向割煤法，截割深度为600 mm，如果发生煤壁片帮，将使片落的煤块很大，对大块煤块进行处理时会对推进速度造成很大的影响，使即将开采的煤壁不得不长时间暴露，进一步增大危险性。因此，为防止大煤块片落，缩短煤壁直接暴露的时间，必须对割煤工艺予以优化，以单向与双向割煤为基础，提出一种新的割煤方法，即“4+2”法。该方法是指将一刀煤分成两次来割，当采煤机从机尾开始向机头的方向进行割煤时，将支架一次性移动并架设到位，并及时对顶板进行支撑，但运输机并不一次性顶推到位，对千斤顶进行推移时，每次只推移400 mm，在这种情况下，因割煤厚度明显减小，所以基本不会垮落大煤块，同时还会加快采煤机的实际运行速度，当到达机头开始向机尾的方向进行返刀时，割剩下厚度的煤，以此完成整个煤层的截割。采用该方法能有效防止大块煤垮落，同时缩短煤壁直接暴露的瞬间，进而降低片帮发生概率。采用双向割煤法作业时，从机尾的三角处开始进刀，重刀将第一个机头完全割透需要60 min 的时间；从机头返回至支架将第二个机头割透需要35 min 的时间；从机头重刀割向机尾将第一个机尾割透需要90 min 的时间；采煤机返回至支架将第二个机尾割透需要30 min 的时间；总耗时为230 min。采用单向割煤法作用时，从机尾三角处进刀将机头割透需要60 min 的时间；空刀反向机尾，将机尾割透需要30 min的时间；进一刀煤需要90 min 的时间。而采用“4+2”法进行割煤时，从机尾三角处进刀将机头割透需要50 min 的时间；返回至机尾将机尾割透需要30 min的时间；进一刀煤需要80 min 的时间[4]。

3.3 工作面端头防冒顶

该工作面的回风巷采用矩形断面，高度与宽度分别为2 800 mm、4 000 mm，因巷道顶板的自稳性相对较差，所以成巷过程中只采用锚喷方法无法满足要求。对此，参考国内其他矿井所用支护方法，提出一项新支护技术，即锚索钢梁补强支护与注浆改造顶板相结合，也就是在破碎带采用锚索和钢梁来实现补强支护，然后通过注浆来改造整个顶板。通过对上述措施的应用，能有效减缓煤壁片帮，使片帮的总深度与总长度均明显减小[5]。

3.4 其他方法

1）尽快支护，及时将护帮板打开能为煤壁施加一定侧向压力，促使煤壁从单向受力变成三向受力，在提高煤壁自身抗压强度的同时，抵挡住崩落下来的煤块，进而减小煤块崩落造成的破坏。

2）加快工作面实际推进速度，将之前的两班生产和一班检修更高成两班半生产与半班检修。通过这样的更改，能缩短煤壁直接暴露的时间，防止煤壁片帮现象的发生，特别是在工作面来压以后，生产过程保持连续，通过对工作面实际推进速度的加快，能起到避免因时间问题产生煤壁片帮的作用[6]。

3）提供足够工作阻力及初撑力，经数值模拟与实测可知，通过增加支架自身工作阻力，同时在带压的条件下移动支架，能有效降低煤壁的压力，避免片帮发生。另外，支架自身工作阻力明显增大后，还能起到减少或避免顶板离层的作用，防止老顶来压造成太大冲击。做好液压系统的检查与维修，能使乳化液泵站提供稳定的压力，进而提供足够初撑力。通过对液压系统全面检修，避免跑冒滴漏，能防止由于卸压产生自动降架[7]。

针对该工作面围岩条件较差、基岩厚度较薄、煤质坚硬与采高相对较大等实际问题，通过高压注水、采煤方法优化，对来压过程中工作面煤壁片帮实际情况进行观测，得出煤壁片帮现象相对轻微。在周期来压过程中，片帮的长度不超过4.5 m，深度也只有0.3 m，片帮率约9%，相比于只采用注水方法，低3%～6%，相比于未采取措施，低9%～30%。在没有来压时，片帮率更低，只有周期来压过程的1/2，虽然端头顶板产生明显变形，但都没有露板。可见，通过对上述方法的采用，可将煤壁片帮严格控制在允许范围之内，使工作面的生产得以安全且顺利完成。