厚煤层综放工作面煤壁片帮机理及防片帮技术研究与应用_武利(1).pdf

厚煤层综放工作面煤壁片帮机理及防片帮技术研究与应用 武利 （山西石港煤业有限责任公司 ， 山西 左权 032600 ） 摘要 为解决 15109 工作面回采过程中煤壁易片帮的问题，通过对厚煤层煤壁片帮机理的具体分 析， 提出采用优化采煤工艺 煤壁注浆的防片帮技术， 结合工作面的具体情况对防片帮技术的各项参 数进行具体设计， 并进行效果监测。结果表明 15109 工作面采用煤壁防片帮技术后， 工作面煤壁的片 帮深度减小 60， 煤壁片帮的长度减小了 50， 有效的保障了工作面煤壁的稳定。 关键词 厚煤层 ； 综放工作面 ； 注浆加固 ； 防片帮 中图分类号 TD323 ； TD355文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2019 ） 06-0055-03 Research and application of coal wall slab mechanism and anti-chip technology in fully mechanized caving face in thick coal seam WU Li （Shanxi Shigang Coal Industry Co., Ltd. , Zuoquan 03260 ， China ） Abstract In order to solve the problem of coal wall easy to help in the mining process of 15109 working face, through the specific analy- sis of the coal wall mechanism of thick coal seam, the anti-chip technology of optimized coal mining technology coal wall grouting is proposed, combined with the working face The specific conditions of the anti-chip technology are specifically designed and monitored. The results show that after the coal wall anti-chip technology of 15109 working face, the depth of the coal wall of the working face is re- duced by 60, and the length of the coal wall piece is reduced by 50, which effectively guarantees the stability of the coal wall of the working face. . Key words Thick coal seam ; fully mechanized caving face ; grouting reinforcement 1工程概况 石港公司 15109 综放工作面，位于 913 水平一 采区，石港公司井底车场以南， 15111 工作面以西， 15108 工作面以东， 工作面倾斜长度 150m， 走向长 度 1172m， 所采煤层为 15 煤， 煤层均厚 6.62m， 平 均倾角 12， 煤层赋存稳定， 较为软弱， 结构复杂， 一般含夹石 3 层，直接顶为泥岩与 14 煤，均厚 5.76m， 基本顶为石灰岩， 均厚 6.09m， 直接底为泥 岩， 均厚 1.17m， 基本底为铝土泥岩， 均厚 5.15m。 15109 工作面采用走综采放顶煤采煤法，平均采高 为 2.4m， 放煤高度为 4.22m， 循环进度为 0.6m， 在工 作面回采过程中出现煤壁片帮情况， 故需采取有效 措施以控制煤壁片帮。 2厚煤层煤壁片帮机理 松软厚煤层在上覆岩层压力及煤体自身自重 应力的作用下， 会在煤壁处产生横向拉应力， 煤层 在拉应力的作用下会沿着煤壁竖直方向产生蠕动 弯曲变形或横向位移， 当煤壁内部受到的剪应力大 于煤体所能承受的抗剪强度时便会发生压剪破坏， 煤壁的破坏形式均为一个不稳定的滑动体， 故针对 滑动体结构的稳定性及受力状态进行具体分析， 能 够将弧形滑动面简化为平面， 煤壁发生剪切破坏时 最大主应力与剪切破坏面之间的夹角为 π/4φ/2 [1-2]，用 h 表示剪切面的破坏高度， B 表示煤壁的破 坏深度， 据此能够得出煤壁发生剪切破坏的力学模 型如图 1 所示。 图 1煤壁剪切破坏力学模型图 根据工作面煤壁的所处的状态， 采用表示煤壁 安全余量， 煤壁安全余量为滑动体所受的抗剪力 D 与滑动力 S 之间的差值， 据此能够得出煤壁片帮的 判定准则为 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 55 ChaoXing Δ D- S＞0 煤壁处于安全状态 D- S0 煤壁处于极限状态 D- S＜0 煤壁处于破坏状 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■态 （1） 式中 Δ 为煤壁安全余量； S 为剪切面抗滑力， N； D 为剪切面的抗滑力， N； ,结合图 1 与式 （1） 能够 推导得出松软煤壁所处状态的表达式为 ΔD- S Ch sinα Ntanφ- S N （PW ） cosα 1 2 qTlsinα S （PW ） sinα- 1 2 qTlcos ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ α （2） 式中 h 为剪切面的破坏高度， m； C 为煤体的粘 聚力， MPa； N 为剪切面上的法向力， N； φ 为煤体的 内摩擦角， ； α 为剪切面预最大主应力的夹 角， ； qT为载荷的集度， kN/m； P 为顶板压力， kN； W 为煤壁破坏体的自重， kN； l 为护帮板的高度， m； 式中其余符号的含义同上。 当假设煤壁破坏体的厚度为 1 时， ，则能够推 导出破坏体的自重 W、 顶板压力 P 及护帮板水平护 帮力 T 的表达式分别如下 P qph tanα W γh2 2tanα T l 0 ∫qTdl 1 2 qT ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ l （3） 式中 T 为护帮板的水平护帮力， kN； γ 为煤体 的容重 kN/m3； qp为载荷集度， kN/m；其余符号的含 义同上， 将式 （3） 代入到式 （2） 中能够得出煤壁安全 余量的表达式如下 Δ Ch sinα （ qph tanα γh2 2tanα ） （cosαtanα- sinα） 1 2 qTl （sinαtanφtanφ）（4） 通过具体分析式 （3） 能够得出当煤壁安全余量 Δ＜0 时， 此时煤壁便会发生破坏， 煤壁发生弧形破 坏主要受到水平护帮力、 顶板压力及煤体自身物理 力学特性的影响， 故基于此可知为有效的防治煤壁 片帮现象的出现， 应尽可能的提高护帮板的水平护 帮力、 减小顶板压力活通过提高煤体内摩擦角和粘 聚力等煤体物理参数从而有效的提高煤体的抗剪 强度， 保证煤壁的稳定性。 3防片帮技术设计 15109 工作面进风侧部分段地质条件差，且临 近侧 15108 工作面开采扰动等因素影响， 工作面进 风侧煤层松软较破碎，导致工作面煤壁偏帮严重， 偶有漏顶发生， 针对这种情况， 提出优化综采工艺 和采前预注浆等综合性措施来保障工作面煤壁的 稳定性， 具体煤壁片帮的控制技术措施及各项参数 如下 3.1优化综采工艺 1） 提高液压支架的初撑力及工作阻力 15109工 作面回采作业时偶有出现液压支架咬死的情况， 出 现这种情况的主要原因为支架的初撑力力偏低， 顶 板下沉量大， 导致支架未能够对顶板及时的增阻支 护， 使得顶板的下沉量增大， 从而出现片帮咬架的 现象， 故通过提高支架的初撑力及工作阻力， 及时 打开侧护板， 在一定程度上控制煤壁片帮和咬架现 象。 2） 及时伸出前探梁， 带压移架 采煤机割煤后， 及时伸出前探梁， 避免顶板冒落， 带压擦顶移架， 及时 支持下降的顶板， 降低煤壁支撑压力， 工作面端头支 架移架后， 应立即打开护帮板， 支撑工作面煤壁。 3） 在合理范围内降低采煤机的割煤速度， 并在 采煤机停机前进行拉移超前架的作业， 据此能够有 效控制部分煤壁片帮的漏顶情况出现。 3.2煤壁注浆加固 根据 15109 工作面煤壁的片帮的具体情况可 知， 工作面回采作业时， 在 3～15 支架间的煤壁的 片帮情况较为严重， 故在此区域对煤壁进行注浆加 固作业， 注浆材料使用马丽散， 具体煤壁注浆加固 的各项参数如下 1） 注浆材料。本次工作面防煤壁片帮使用的注 浆材料为马丽散， 马丽散为一种双组分合成的高分 子聚亚胺胶材料， 其具体黏度低的特点， 马丽散能 够在自身膨胀作用和注浆泵机的高压作用下， 充填 到破碎煤岩体的裂缝和空隙内， 能够有效的将破碎 的煤岩体胶结为一个整体[3-4]。 2） 注浆孔布置。15109 工作面的煤壁的注浆钻 孔采用单眼平行的布置方式，钻孔在布置工作面 3～15 支架侧， 注浆钻孔的间距为 6～7m， 钻孔垂直 与煤壁打设， 设置注浆钻孔孔径为 42mm， 钻孔的深 度为 5.0m， 钻孔的开孔高度距离底板 0.8m， 具体煤 壁注浆钻孔的布置位置如图 2 所示。 3） 注浆施工工艺。在进行工作面煤壁的单孔注 浆作业时， 其具体流程如下 在需加固位置用钻机 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 56 ChaoXing 按设计打设注浆钻孔， 钻头 φ42mm， 孔深 5m； 安装 注浆花管，并在孔口进行有效的封孔后；封孔后 1～2h 后进行开泵注浆作业； 待注浆完毕后， 停泵， 卸 压， 移至下一个注浆孔， 单孔注浆结束。 （a） 平面图 （3- 15 架） （b） 剖面图 图 2注浆钻孔布置示意图 4） 单孔注浆量。为充分保障 15109 工作面在注 浆加固作业后煤壁的稳定性， 现进行各个钻孔的注 浆作业时应保证注到不吃浆为止。具体每个注浆孔 的浆液消耗量可通过下式进行计算 QALπR2βλ 式中 Q 为注浆钻孔的浆液注入量， m3； β 为围 岩的裂隙率，取 1～5； L 为钻孔长度方向加固区 域的厚度， m； λ 为浆液的充填系数； R 为浆液的有 效扩散半径， m ； A 为浆液的消耗系数，取 1.2～1.5。 根据 15109 工作面的具体情况取 β3， A1.3， R3m， λ1；据此能够大致计算单孔注浆量为 4.4m3。 4效果分析 为对回采工作面采用上述防片帮技术后的效 果进行有效分析， 将工作面采用优化采煤工艺 注 浆加固后的防片帮技术后煤壁片帮的深度、 长度与 工作面未采用防片帮技术前进行对比分析及数据 统计。在工作面开采初期， 工作面煤壁并未采用防 片帮技术， 此时塑性区的煤体较为松散破碎， 煤壁 的整体抗剪强度低， 此时煤壁的易于出现冒顶及片 帮情况， 煤壁未采用防片帮技术前， 平均的片帮深 度为 0.6m， 最大片帮深度为 1m， 煤壁未采用防片帮 技术前， 煤壁的最大片帮长度 25m， 占到工作面长 度的 16.7左右；在工作面采用优化后的采煤工艺 煤壁注浆防片帮技术后，有效的提高了工作面煤 壁煤体的塑性和粘接性， 减小了顶板压力， 增强了 煤体的整体性，在极大程度上缓解了煤壁易冒顶、 片帮的情况， 工作面煤壁采用优化采煤工艺 煤壁 注浆技术后， 平均片帮深度 0.2m， 最大片帮深度为 0.5m， 最大片帮长度为 2m 左右， 基本无大的片帮冒 顶事故； 据此可知工作面煤壁采用优化后的采煤工 艺 煤壁注浆加固防片帮技术后有效的解决了工 作面回采过程中煤壁易片帮的情况。 5结论 针对厚煤层煤壁片帮机理的具体分析知， 通过 优化综采工艺、 减小顶板压力或提高煤体煤体物理 力学参数来保障工作面煤壁的稳定， 根据 15109 工 作面煤壁片帮的具体情况， 确定采用优化采煤工艺 煤壁注浆加固的防片帮技术，并对煤壁防片帮技 术的各项参数进行设计， 并进行煤壁防片帮技术应 用效果的分析， 该技术实施后， 工作面煤壁的片帮 深度与长度均大大降低， 有效的控制了煤壁片帮现 象， 保证工作面的安全高效回采。 参考文献 [1] 张浩,伍永平.大倾角煤层长壁大采高采场煤壁片帮机制 [J].采矿与安全工程学报,2019,36 （02） 331- 337. [2] 魏坤.“三软” 厚煤层煤壁注水防片帮技术研究[D].中国 矿业大学,2018. [3] 周春山. 边角煤工作面煤壁片帮机理分析及注浆加固技 术[J].中国矿业,2019,28 （04） 146- 149. [4] 张浩,伍永平.大倾角煤层长壁大采高采场煤壁片帮机制 [J].采矿与安全工程学报,2019,36 （02） 331- 337. 作者简介 武利 （1988-） ， 男， 山西大同人， 2012 年 6 月毕业于河北 联合大学采矿工程， 助理工程师， 现就职于山西石港煤业生 产部技术组技术员。 （收稿日期 2019- 4- 29） 煤矿现代化2019 年第 6 期总第 153 期 57 ChaoXing