宮 臣

(潞安集團(tuán) 蒲縣黑龍煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200)

煤壁片幫是采煤工作面經(jīng)常遇到的問題，其具有突發(fā)性、高頻性、難控制等特點(diǎn)，對(duì)工作面正常推進(jìn)造成重大安全隱患，為降低片幫幾率及防治片幫發(fā)生，許多學(xué)者做了大量研究[1-5]。本文針對(duì)黑龍煤業(yè)2103工作面煤壁片幫深度較大，片幫范圍較廣且不易控制的難題，提出采用煤壁動(dòng)壓注水的方式有效改善了煤壁片幫程度，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

1.1 工作面概況

黑龍煤業(yè)2103工作面位于下水平9+10+11煤層，東與9+10+11號(hào)煤層運(yùn)輸大巷、軌道大巷、回風(fēng)大巷相連，西接礦井井田邊界保護(hù)煤柱；北面是未開采區(qū)域；南面是已采2101工作面，與2101工作面回風(fēng)巷之間保護(hù)煤柱30 m。2103工作面為走向布置，傾向長(zhǎng)度109.5 m，可采長(zhǎng)度655 m。

1.2 煤層概況

2103工作面所采煤層為石炭系太原組地層下段上部9+10+11煤層， 工作面范圍內(nèi)煤層厚度穩(wěn)定，9號(hào)煤與10+11號(hào)煤之間有一層平均厚度為1.6 m的夾矸，10號(hào)與11號(hào)煤層合并，9號(hào)煤平均厚度0.8 m，10+11號(hào)煤平均厚度4.8 m，容重為1.4 t/m3，可采指數(shù)為1，變異系數(shù)為8.42%。9號(hào)煤層為低灰-中灰、中硫-高硫、低磷、低熱值-高熱值之肥煤和焦煤，10+11號(hào)煤層為特低灰-中灰、中低硫-高硫、低磷、低熱值-高熱值之肥煤和焦煤。

1.3 采煤工藝

2103工作面采用走向長(zhǎng)壁、后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤一次采全高采煤法，頂板采用全部垮落法處理。工作面割煤高度(3.0±0.1)m，放頂煤平均高度2.6 m，采放比為1∶0.87，循環(huán)進(jìn)度0.8 m，一采一放為一個(gè)循環(huán)。工作面采用端部割三角煤斜切進(jìn)刀，進(jìn)刀距離45 m。

2 煤壁片幫分析

2.1 片幫破壞形式

通過分析2103工作面現(xiàn)場(chǎng)片幫情況，工作面煤壁破壞形式分為整塊滑動(dòng)破壞和上半塊滑動(dòng)破壞兩種，如圖1所示。隨采煤機(jī)破煤，煤體所受剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于煤體本身的抗剪強(qiáng)度，且在煤層上覆圍巖壓力及煤體自身重力作用下，煤壁附近的煤體將受到較大的橫向拉應(yīng)力產(chǎn)生橫向變形，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生沿煤壁豎直方向的蠕動(dòng)變形，最終發(fā)生弧形剪切變形破壞。

圖1 2103工作面煤壁破壞形式

2.2 塑性區(qū)分布規(guī)律

工作面煤壁片幫主要取決于工作面前方煤體的塑性區(qū)發(fā)育情況，隨采動(dòng)影響，塑性區(qū)范圍的增加直接加大了煤壁片幫的幾率。所以，為解決工作面煤壁片幫問題，首先要了解煤壁前方塑性區(qū)的發(fā)育規(guī)律。

圖2為采煤工作面前方煤體支承應(yīng)力分區(qū)示意。當(dāng)工作面向前推進(jìn)時(shí)，前方煤體初始應(yīng)力發(fā)生改變重新分布，產(chǎn)生超前支承應(yīng)力，根據(jù)支承應(yīng)力大小，煤壁前方依次形成塑性區(qū)(Ⅰ和Ⅱ)、彈性區(qū)(Ⅲ)、原巖應(yīng)力區(qū)(Ⅳ)，其中，塑性區(qū)Ⅰ中煤體所受支承壓力低于原巖應(yīng)力；Ⅱ區(qū)中煤體所受支承壓力遠(yuǎn)高于原巖應(yīng)力，且在Ⅱ區(qū)中將出現(xiàn)支承壓力極大值，這將導(dǎo)致塑性區(qū)內(nèi)煤體節(jié)理、裂隙發(fā)育加重，煤體自身承載能力減弱，極易引發(fā)煤壁剪切破壞。所以，工作面煤壁前方塑性區(qū)寬度越大，越容易發(fā)生片幫、冒頂事故。

圖2 煤體支承應(yīng)力分區(qū)

3 煤壁注水工藝

通過對(duì)煤壁片幫分析，結(jié)合2103工作面實(shí)際地質(zhì)條件，提出采用煤壁淺孔動(dòng)壓注水技術(shù)進(jìn)行工作面片幫防治。

3.1 鉆孔布置

綜合考慮2103工作面煤層透水性、孔隙率及工作面采高等影響因素，在工作面煤壁中上部位置呈近水平方向布置注水鉆孔，采用ZQSJ-80/2.8型氣動(dòng)手持鉆機(jī)，配合D42 mm×1 000 mm螺旋鉆桿打孔，鉆孔距底板高1.5m，打孔角度斜向上1～3°，鉆孔深5 m，孔間距為5 m，即鉆孔布置在相鄰兩支架的護(hù)幫板之間，如圖3所示。

圖3 鉆孔布置

3.2 封孔工藝

鉆孔的封孔工藝非常關(guān)鍵，注水是否成功很大程度上取決于封孔質(zhì)量。2103工作面注水使用自動(dòng)膨脹式封孔器完成封孔工作，如圖4所示，封孔器長(zhǎng)1 000 mm。在進(jìn)行封孔作業(yè)時(shí)，需做到以下幾點(diǎn)：①選取合理的注水壓力，使得封孔器膨脹壓力保持在合理范圍內(nèi)，若壓力過大則會(huì)導(dǎo)致煤體破壞，若壓力過小則會(huì)導(dǎo)致注水效果不佳；②確保注水過程中壓力水作用下，封孔器能夠與鉆孔圍壁緊緊貼實(shí)，不發(fā)生漏水。

圖4 封孔器封孔示意

3.3 注水壓力

合理的注水壓力是保證注水成功的前提，也是保障注水效果的關(guān)鍵，針對(duì)2103工作面，為了確定合理的注水壓力，在工作面現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了不同大小壓力的試驗(yàn)性注水研究，分別取壓力值為5 MPa、6 MPa、7 MPa、8MPa，并統(tǒng)計(jì)、總結(jié)注水流量隨時(shí)間增長(zhǎng)的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 注水流量隨注水時(shí)間變化曲線

由圖5可知，注水流量隨時(shí)間增長(zhǎng)呈正相關(guān)增長(zhǎng)。注水壓力為8 MPa時(shí)，由于此時(shí)水的壓力過大，導(dǎo)致注水過程中壓力水在15 min左右便沖碎煤體，最終注水失?。欢闪硗?條曲線得知，注水壓力為7 MPa時(shí)，在注水36 min時(shí)達(dá)到理論流量3.46 m3；6MPa時(shí)，在注水45 min時(shí)達(dá)到理論流量；5 MPa時(shí)，在注水60 min時(shí)達(dá)到理論流量。與6 MPa和5 MPa相比，注水壓力為7 MPa時(shí)不僅縮短了注水時(shí)間，降低了工作量，而且能在不破壞煤體的前提下保證注水流量，從而達(dá)到快速、高效的注水目的。因此，最終選擇合理的注水壓力為7 MPa。

4 注水效果分析

在2103工作面試驗(yàn)段采用動(dòng)壓注水技術(shù)后，進(jìn)行了持續(xù)一個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)注水后煤壁片幫監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果整理后如圖6所示。

由圖6可見，未采用動(dòng)壓注水前，由于工作面煤壁前方塑性區(qū)內(nèi)煤體受采動(dòng)影響，故其抗剪切強(qiáng)度較低，破碎較大，易引起煤壁片幫、端頭垮落等現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2103工作面煤壁片幫平均深度1.0 m，片幫范圍占工作面總長(zhǎng)度的70%左右；采用煤壁動(dòng)壓注水后，片幫深度降低至平均0.4 m，較之前降低了60%，片幫范圍降低至了工作面全長(zhǎng)的20%左右，較之前降低了50%。由此得知，采用動(dòng)壓注水技術(shù)可有效改善工作面煤壁片幫，從而為工作面快速、安全推進(jìn)提供了重要保障。

圖6 注水前后煤壁片幫情況對(duì)比

同時(shí)，對(duì)工作面開機(jī)率及產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)得知，未采用煤壁注水前，由于工作面煤壁及頂板控制較困難，片幫程度較大，采煤機(jī)正常開機(jī)率只有29%左右，產(chǎn)量不佳；經(jīng)動(dòng)壓注水后，采煤機(jī)開機(jī)率達(dá)到了70%以上，較之前增加了40%以上，工作面推進(jìn)速度大幅提高，從而有效保證了回采效率及產(chǎn)量。