薛霄飛

（華陽新材料科技集團開元煤炭有限責任公司，山西 晉中 045400）

隨著煤層開采深度的增加，中厚煤層及厚煤層的開采在井工開采礦井中所占的比重逐年提高。在煤質(zhì)酥軟的情況下，工作面煤壁大面積片幫、冒頂事故的發(fā)生不僅會嚴重制約生產(chǎn)活動的正常開展，而且還為現(xiàn)場的安全生產(chǎn)埋下隱患。眾多學者［1-5］對煤壁片幫的機理進行了深入研究，并從優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)、改進回采工藝等方面提出了許多針對性較強的措施。本文將以開元公司9714 工作面為工程背景，對淺壁注水工藝條件下煤體的力學特性、片幫控制效果進行分析。

1 機理分析

工作面開挖后會破壞巖體的原巖應(yīng)力分布狀態(tài)，引起應(yīng)力的重新分布，形成應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)三個特征明顯的應(yīng)力帶，應(yīng)力降低區(qū)的范圍一般位于煤壁前方5～7 m范圍內(nèi)，該區(qū)域的巖石由于前期受超前支承壓力的影響會產(chǎn)生大量的新生裂隙，這為注水工藝的實施創(chuàng)造了有利空間條件。若在工作面回采前將低壓水通過水泵注入到待開挖的煤體內(nèi)，水流會在該區(qū)域內(nèi)沿著采動裂隙自由擴散，對周圍煤體產(chǎn)生良好的浸潤作用，當裂隙內(nèi)外的煤體含水量達到飽和狀態(tài)后，會在煤體周圍會形成大量的水分子團，水分子團之間具有較強的黏結(jié)力和吸附力，這就使得整個應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)煤體由原先的松散態(tài)變?yōu)榱丝辜魪姸容^高的黏結(jié)層。黏結(jié)層形成后可使煤壁隨著采煤機的截割逐層垮落，從而有效防止大面積片幫及冒頂?shù)仁鹿实陌l(fā)生。

2 注水煤層力學特性分析

為研究不同含水率對煤層力學特性的影響，擬定對工作面原煤進行鉆孔取樣分析。但因該工作面煤體強度較低，完整取芯難度較大，故先將松散煤體取樣、烘干、按一定比例加水攪拌，然后進行二次壓縮，制作成試驗所需的標準件。雖然壓縮成型的試件與原煤取芯件在力學性能上存在一定的差異，但是卻可以定性反映不同含水率工況對煤體受載特性的影響。

按照GB482-1995 規(guī)范的要求，先將松散煤體破碎成粒徑約3 mm的微小顆粒，將其放入到恒溫烘干箱，以110℃的溫度烘烤3 h，接著將烘干后的煤體碾磨成100 目的細煤粉，最后按照不同含水率（2%、4%、6%、8%、10%、12%）的配比要求制作成試驗標準件。

由圖1 可知在本次參與試驗的6 組試件中，內(nèi)聚力隨著含水率的增加而逐漸遞增。在2%～12%區(qū)間內(nèi)煤體抗剪強度隨著含水率的增高而逐漸增加，12%含水率試件煤體的抗剪強度是2%含水率工況下試件的1.3 倍。這說明煤層注水后可以有效提高煤體的抗剪強度，從而有效防止因剪切破壞導(dǎo)致的煤壁滑移及片幫等情況的發(fā)生。煤體的抗壓強度隨著含水率的增加逐漸遞減，從2%含水率試件到12%含水率試件，抗壓強度減少了1.002 MPa，見圖2。

圖1 不同含水率對煤體抗剪強度/內(nèi)聚力影響

圖2 不同含水率對煤體抗壓強度影響

3 現(xiàn)場工業(yè)試驗研究

9714 工作面煤層平均厚度3.36 m，傾角2°～6°，采用走向長壁回采工藝，偽頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度0.5 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度11.7 m，底板主要為厚度4.5 m的細砂巖。工作面煤壁酥軟，煤體堅固系數(shù)為0.35，原煤平均含水率為1.92%。

工作面淺壁注水鉆孔采用單排布置，開孔位置距巷道底板1.5 m，按照為2°～3°仰角施工，孔深5 m，直徑為45 mm。封孔采用專用的“兩堵一通”橡膠封孔器，該型封孔器的設(shè)計長度為1.2 m，通過向封孔器上的預(yù)留管路注射高壓水，橡膠段直徑變大，可以有效保證注水孔對水壓的要求。

合理的注水壓力既要保證煤體不會因水壓過大而發(fā)生片幫、泄孔，同時又要保證在規(guī)定時間內(nèi)，鉆孔注水對周圍煤體產(chǎn)生較好的浸潤作用。結(jié)合工作面的現(xiàn)場條件及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)確定本次注水壓力為3～5 MPa。每個鉆孔的注水量以煤壁出現(xiàn)“掛汗”時視為合格，通過參照相關(guān)公式［6］計算，本次設(shè)計鉆孔的注水量約為5.2 m3，單孔最長注水時間控制在3 h以內(nèi)。

圖3 淺壁煤層注水現(xiàn)場設(shè)備布置

4 注水效果評價

在煤層注水前，由于煤質(zhì)較軟，在機組割煤過后尚未移架前，經(jīng)常發(fā)生大面積的片幫事故。同時支架頂梁至煤壁之間頂板也會發(fā)生冒落，給工作面的安全生產(chǎn)帶來了較大的隱患。淺壁注水工藝實施后，給工作面拉架作業(yè)爭取了寶貴的時間，煤壁片幫事故降低了將近80%，最大片幫深度也由過去的2.5 m降低為1 m，片幫影響范圍為也由過去的15～20 m，普遍壓縮到5～8 m，生產(chǎn)班工時利用率提高了15%，單月原煤產(chǎn)量最大增幅達0.03 Mt。

5 結(jié)論

1）煤層淺壁注水工藝能夠?qū)⑺周浢罕谟稍鹊乃缮B(tài)改造成抗剪強度較高的黏結(jié)層。

2）當煤體含水率在2%～12%區(qū)間內(nèi)時，內(nèi)聚力和抗剪強度兩項力學性能指標隨著含水率的增加而逐漸遞增，煤體抗壓強度則與含水率呈反比關(guān)系。

3）煤層淺壁注水工藝實施后，工作面最大片幫深度由過去的2.5 m減少到了1 m，片幫次數(shù)降低了80%。