赵固二矿14030 工作面煤壁片帮柔性加固方案优化

2022-09-14丁先飞王利光

山东煤炭科技 2022年8期

丁先飞王利光李猛

（1.焦作煤业（集团）新乡能源有限公司赵固二矿，河南新乡 453600；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100830）

随着我国综采技术不断发展，设备制造与工作面管理水平逐步提高，工作面一次采出厚度逐渐增大，提高了矿井生产能力[1]。然而，大采高条件下综合机械化采煤过程中，随着采高的增加，煤壁前方支承压力显著变大，煤壁自稳性降低，煤壁片帮的面积、深度和频率也明显增加，煤壁片帮导致工作面控顶距变大，引发端面冒顶事故[2]，而端面冒顶也进一步加剧煤壁片帮，严重影响工作面开机率，同时也对工作面机械设备和人身安全造成巨大威胁[3]。采场煤壁和直接顶组成的煤岩体的稳定性是影响工作面实现高产高效的重要原因之一。

目前国内外学者针对不同条件下煤壁破坏机理与防治措施进行了大量研究。文献[4]分析煤壁在自重和顶板压力作用下主要表现出拉裂、剪切两种煤壁破坏形式，并针对软煤层提出了减缓煤壁压力，改变煤体性质的防治片帮措施；宁宇通过数值模拟得出了工作面长度增加及采高增大会加剧煤壁片帮的发生，并设计了特种支架配合合理的回采工艺来治理煤壁片帮；方新秋等[5]分析了软煤综放面煤壁受力特征，提出了煤壁中圆弧状“滑动面”，并通过在重点区域采用打木锚杆的方式来控制煤壁稳定。文献[6-7]在分析了工作面稳定性的基础上，提出了煤壁片帮柔性加固技术，利用“棕绳+注浆”这种新的煤壁柔性加固技术可以实现全长锚固，而且破坏的煤体在棕绳拉力作用下不滑落，煤壁稳定性得到提高，同时采煤机可以将棕绳割断，不影响正常生产。煤壁柔性加固技术效果显著，成本大幅降低，并在不同工作面进行了工业性试验，得到了很好的防治效果，为煤壁片帮防治提供了新思路。文献[7]深入分析了硬煤煤壁拉裂型破坏发生机理及影响因素，并结合工程实例，对硬煤工作面采用柔性加固技术，证明了“棕绳+注浆”的柔性加固对煤壁拉伸破坏起到了有效抑制作用。

1 工程背景及概况

赵固二矿14030 工作面位于四盘区中部，东侧为14021 工作面采空区，南邻F18 断层，西侧为未开采区域，北邻西轨道底抽巷等三条大巷。上顺槽长2095 m，下顺槽长2270 m，切眼长201 m，可采面积约370 660 m2，地面标高+75.3～+77.8 m。14030 工作面二1 煤厚4.8～6.1 m，平均5.9 m，煤层倾角4°～6°，煤层稳定。煤层内偶见夹矸，夹矸厚0.02～0.05 m，煤体内的原生裂隙较发育，其中部分裂隙被方解石充填，其强度大、较为坚硬。

2 煤壁破坏及柔性加固机理

煤壁破坏的类型总体分为两类：剪切破坏和拉伸破坏。在软煤状态下，煤体处于双向受压的状态下，破坏形式属于压剪型。在硬煤状态下煤体处于单向受拉状态，若煤体与顶板之间存在剪切错动，裂隙从上表面发育，最终破坏形态属于拉剪型；若与顶板不存在剪切错动，煤体中出现的拉应力则更高，此时属于拉裂破坏[7-10]。如图1。

图1 煤壁破坏形式

煤壁片帮后，因部分支撑顶板的煤体脱落，悬顶面积会进一步增大，即端面距进一步加大。如此反复，会形成“冒顶—片帮—冒顶”的恶性循环，从而极大地影响工作面的安全和高产高效生产。

柔性加固机理一方面是通过浆液使具有一定刚度和伸长率的棕绳很好地附着在煤体内，形成全长锚固并且适应采动引起的煤壁大变形，提高煤壁整体性；另一方面浆液可以扩展到煤体的内部裂隙中去，使得塑性煤体再次恢复到近似弹性状态下。即使当片帮发生后，柔性棕绳也可以将其拖住，从而使片落煤体缓慢下落，减低片帮体对工作面人员和设备的威胁。棕绳可以被采煤机割断，经过工业性试验，得到了良好的治理效果。因此不仅需要棕绳有一定的抗拉强度，同时又要求浆液与煤体间有很好的黏结力和抗剪强度。如图2。