郭禮忠

（汾西礦業(yè)集團(tuán)調(diào)度指揮部，山西 介休 032000）

在大采高綜采面作業(yè)過(guò)程中，因受煤質(zhì)本身和地質(zhì)等方面因素的影響，容易產(chǎn)生比較嚴(yán)重的煤壁片幫問(wèn)題，影響工作面正常生產(chǎn)與生產(chǎn)安全。因此，有必要在明確煤壁片幫影響因素的基礎(chǔ)上，制定有效的綜合治理技術(shù)。

1 工程概況

某煤礦煤層傾角在8°左右，煤層埋深約560 m，層厚約3.6 m；偽頂以泥巖與炭質(zhì)泥巖為主，厚度在0.8 m 以內(nèi)；直接頂以泥巖為主，厚度在1.0～6.5 m 范圍內(nèi)；老頂以砂巖為主，粗粒、中粒與細(xì)粒均可見(jiàn)，厚度在1.00～19.04 m 范圍內(nèi)；底板以泥巖與砂質(zhì)泥巖為主，厚度在9.10～17.27 m 范圍內(nèi)。煤體硬度較大，屬堅(jiān)硬類范疇。采煤工藝為走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化開(kāi)采，采用垮落法進(jìn)行頂板管理。該煤礦首采工作面總長(zhǎng)約110 m，回采時(shí)沒(méi)有采取有效的防片幫措施，導(dǎo)致工作面片幫情況比較嚴(yán)重，特別是工作面的中部。根據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，片幫總長(zhǎng)度可以達(dá)到工作面40%。

2 影響因素分析

2.1 煤質(zhì)

在煤層比較松軟的情況下，頂板有很小的壓力就會(huì)將煤壁壓垮，導(dǎo)致煤壁片幫，而當(dāng)煤層硬度相對(duì)較大時(shí)，即便頂板有良好的完整性，也很容易產(chǎn)生煤壁片幫。其原因?yàn)椋簝?chǔ)存在堅(jiān)硬類煤中的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于松散類煤，能量一旦釋放，將瞬間發(fā)生煤壁片幫，而且其嚴(yán)重程度也高于松散類煤。在工作面隨機(jī)抽取三組樣品，測(cè)定其物理力學(xué)參數(shù)可得，其堅(jiān)固性系數(shù)為3.01～4.42，為典型的堅(jiān)硬類煤，因此該工作面煤壁片幫的產(chǎn)生和煤質(zhì)之間有直接關(guān)系[1]。

2.2 地質(zhì)

當(dāng)煤層中的節(jié)理與裂隙均較發(fā)育時(shí)，也容易引起煤壁片幫。其原因?yàn)椋汗?jié)理與裂隙的存在會(huì)在煤層當(dāng)中產(chǎn)生弱面，使煤層強(qiáng)度大幅降低，導(dǎo)致煤體結(jié)構(gòu)松散，從煤層上發(fā)生脫落，特別是存在大量橫向節(jié)理時(shí)，受支承壓力持續(xù)作用后裂隙逐漸貫通，產(chǎn)生自由面。在該工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施超聲波測(cè)試，根據(jù)不同位置反饋的聲波速度，煤壁中部反饋的聲波速度相對(duì)較小，而且變化范圍很大，這在很大程度上說(shuō)明該位置存在很多裂隙，煤體的均質(zhì)性相對(duì)較差；而上下部反饋的聲波，其速度變化范圍并不大，且煤體的完整性也較好，說(shuō)明裂隙發(fā)育并不明顯。以上結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)煤壁片幫實(shí)際情況基本一致[2]。

2.3 薄基巖

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，在工作面的上方，其基巖厚度最小只有35 m，完成開(kāi)采后老頂發(fā)生垮落，上方基巖無(wú)法形成砌體梁結(jié)構(gòu)，進(jìn)而不能有效分解載荷，特別是頂板來(lái)壓以后，將導(dǎo)致臺(tái)階式下沉，巖塊直接作用于煤壁與支架，使煤壁受力大幅增加，最終造成煤壁片幫。

3 綜合治理

3.1 高壓注水

通過(guò)對(duì)防片幫技術(shù)的深入研究可得，在煤層中進(jìn)行鉆孔注水能增強(qiáng)煤體自身黏聚力與抗剪強(qiáng)度，因煤層注水有很強(qiáng)的可操作性，且成本也相對(duì)較低，所以在諸多防片幫技術(shù)措施當(dāng)中，它是較為常用的一種。根據(jù)松散煤體自身黏聚力與抗剪強(qiáng)度和含水率之間的變化情況可知，當(dāng)煤體含水率不斷增加時(shí)，其黏聚力與抗剪強(qiáng)度也明顯提高。通過(guò)高壓注水，能使?jié)駶?rùn)半徑變大，使注水所需時(shí)間逐步縮短，并增大注水孔的孔徑，注漿孔布置如圖1 所示。結(jié)合以往相關(guān)研究成果，在充分考慮該工作面具體情況的基礎(chǔ)上，將注水孔的深度確定為100 m，將注水壓力控制在25～30 MPa 范圍內(nèi)，并按照5 m 以上的長(zhǎng)度進(jìn)行封孔，孔之間的距離按8 m 控制，相鄰兩次注水間隔24 h的時(shí)間，每次注水的注水量按不少于320 m3控制[3]。

圖1 注漿孔布置

3.2 “4+2”割煤法

該工作面最初采用的是雙向割煤法，截割深度為600 mm，如果發(fā)生煤壁片幫，將使片落的煤塊很大，對(duì)大塊煤塊進(jìn)行處理時(shí)會(huì)對(duì)推進(jìn)速度造成很大的影響，使即將開(kāi)采的煤壁不得不長(zhǎng)時(shí)間暴露，進(jìn)一步增大危險(xiǎn)性。因此，為防止大煤塊片落，縮短煤壁直接暴露的時(shí)間，必須對(duì)割煤工藝予以優(yōu)化，以單向與雙向割煤為基礎(chǔ)，提出一種新的割煤方法，即“4+2”法。該方法是指將一刀煤分成兩次來(lái)割，當(dāng)采煤機(jī)從機(jī)尾開(kāi)始向機(jī)頭的方向進(jìn)行割煤時(shí)，將支架一次性移動(dòng)并架設(shè)到位，并及時(shí)對(duì)頂板進(jìn)行支撐，但運(yùn)輸機(jī)并不一次性頂推到位，對(duì)千斤頂進(jìn)行推移時(shí)，每次只推移400 mm，在這種情況下，因割煤厚度明顯減小，所以基本不會(huì)垮落大煤塊，同時(shí)還會(huì)加快采煤機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度，當(dāng)?shù)竭_(dá)機(jī)頭開(kāi)始向機(jī)尾的方向進(jìn)行返刀時(shí)，割剩下厚度的煤，以此完成整個(gè)煤層的截割。采用該方法能有效防止大塊煤垮落，同時(shí)縮短煤壁直接暴露的瞬間，進(jìn)而降低片幫發(fā)生概率。采用雙向割煤法作業(yè)時(shí)，從機(jī)尾的三角處開(kāi)始進(jìn)刀，重刀將第一個(gè)機(jī)頭完全割透需要60 min 的時(shí)間；從機(jī)頭返回至支架將第二個(gè)機(jī)頭割透需要35 min 的時(shí)間；從機(jī)頭重刀割向機(jī)尾將第一個(gè)機(jī)尾割透需要90 min 的時(shí)間；采煤機(jī)返回至支架將第二個(gè)機(jī)尾割透需要30 min 的時(shí)間；總耗時(shí)為230 min。采用單向割煤法作用時(shí)，從機(jī)尾三角處進(jìn)刀將機(jī)頭割透需要60 min 的時(shí)間；空刀反向機(jī)尾，將機(jī)尾割透需要30 min的時(shí)間；進(jìn)一刀煤需要90 min 的時(shí)間。而采用“4+2”法進(jìn)行割煤時(shí)，從機(jī)尾三角處進(jìn)刀將機(jī)頭割透需要50 min 的時(shí)間；返回至機(jī)尾將機(jī)尾割透需要30 min的時(shí)間；進(jìn)一刀煤需要80 min 的時(shí)間[4]。

3.3 工作面端頭防冒頂

該工作面的回風(fēng)巷采用矩形斷面，高度與寬度分別為2 800 mm、4 000 mm，因巷道頂板的自穩(wěn)性相對(duì)較差，所以成巷過(guò)程中只采用錨噴方法無(wú)法滿足要求。對(duì)此，參考國(guó)內(nèi)其他礦井所用支護(hù)方法，提出一項(xiàng)新支護(hù)技術(shù)，即錨索鋼梁補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)與注漿改造頂板相結(jié)合，也就是在破碎帶采用錨索和鋼梁來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，然后通過(guò)注漿來(lái)改造整個(gè)頂板。通過(guò)對(duì)上述措施的應(yīng)用，能有效減緩煤壁片幫，使片幫的總深度與總長(zhǎng)度均明顯減小[5]。

3.4 其他方法

1）盡快支護(hù)，及時(shí)將護(hù)幫板打開(kāi)能為煤壁施加一定側(cè)向壓力，促使煤壁從單向受力變成三向受力，在提高煤壁自身抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，抵擋住崩落下來(lái)的煤塊，進(jìn)而減小煤塊崩落造成的破壞。

2）加快工作面實(shí)際推進(jìn)速度，將之前的兩班生產(chǎn)和一班檢修更高成兩班半生產(chǎn)與半班檢修。通過(guò)這樣的更改，能縮短煤壁直接暴露的時(shí)間，防止煤壁片幫現(xiàn)象的發(fā)生，特別是在工作面來(lái)壓以后，生產(chǎn)過(guò)程保持連續(xù)，通過(guò)對(duì)工作面實(shí)際推進(jìn)速度的加快，能起到避免因時(shí)間問(wèn)題產(chǎn)生煤壁片幫的作用[6]。

3）提供足夠工作阻力及初撐力，經(jīng)數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)可知，通過(guò)增加支架自身工作阻力，同時(shí)在帶壓的條件下移動(dòng)支架，能有效降低煤壁的壓力，避免片幫發(fā)生。另外，支架自身工作阻力明顯增大后，還能起到減少或避免頂板離層的作用，防止老頂來(lái)壓造成太大沖擊。做好液壓系統(tǒng)的檢查與維修，能使乳化液泵站提供穩(wěn)定的壓力，進(jìn)而提供足夠初撐力。通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)全面檢修，避免跑冒滴漏，能防止由于卸壓產(chǎn)生自動(dòng)降架[7]。

針對(duì)該工作面圍巖條件較差、基巖厚度較薄、煤質(zhì)堅(jiān)硬與采高相對(duì)較大等實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)高壓注水、采煤方法優(yōu)化，對(duì)來(lái)壓過(guò)程中工作面煤壁片幫實(shí)際情況進(jìn)行觀測(cè)，得出煤壁片幫現(xiàn)象相對(duì)輕微。在周期來(lái)壓過(guò)程中，片幫的長(zhǎng)度不超過(guò)4.5 m，深度也只有0.3 m，片幫率約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%。在沒(méi)有來(lái)壓時(shí)，片幫率更低，只有周期來(lái)壓過(guò)程的1/2，雖然端頭頂板產(chǎn)生明顯變形，但都沒(méi)有露板?？梢?jiàn)，通過(guò)對(duì)上述方法的采用，可將煤壁片幫嚴(yán)格控制在允許范圍之內(nèi)，使工作面的生產(chǎn)得以安全且順利完成。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)該工作面產(chǎn)生的煤壁片幫問(wèn)題，從煤質(zhì)與地質(zhì)兩方面分析導(dǎo)致片幫產(chǎn)生與片幫問(wèn)題比較嚴(yán)重的原因，然后提出包含注水、割煤方法優(yōu)化與及時(shí)支護(hù)等在內(nèi)的綜合治理措施，最后取得了良好防治效果。