浅壁煤层注水防片帮技术实践

薛霄飞

（华阳新材料科技集团开元煤炭有限责任公司，山西 晋中 045400）

随着煤层开采深度的增加，中厚煤层及厚煤层的开采在井工开采矿井中所占的比重逐年提高。在煤质酥软的情况下，工作面煤壁大面积片帮、冒顶事故的发生不仅会严重制约生产活动的正常开展，而且还为现场的安全生产埋下隐患。众多学者［1-5］对煤壁片帮的机理进行了深入研究，并从优化支架结构、改进回采工艺等方面提出了许多针对性较强的措施。本文将以开元公司9714 工作面为工程背景，对浅壁注水工艺条件下煤体的力学特性、片帮控制效果进行分析。

1 机理分析

工作面开挖后会破坏岩体的原岩应力分布状态，引起应力的重新分布，形成应力降低区、应力升高区、原岩应力区三个特征明显的应力带，应力降低区的范围一般位于煤壁前方5～7 m范围内，该区域的岩石由于前期受超前支承压力的影响会产生大量的新生裂隙，这为注水工艺的实施创造了有利空间条件。若在工作面回采前将低压水通过水泵注入到待开挖的煤体内，水流会在该区域内沿着采动裂隙自由扩散，对周围煤体产生良好的浸润作用，当裂隙内外的煤体含水量达到饱和状态后，会在煤体周围会形成大量的水分子团，水分子团之间具有较强的黏结力和吸附力，这就使得整个应力降低区内煤体由原先的松散态变为了抗剪强度较高的黏结层。黏结层形成后可使煤壁随着采煤机的截割逐层垮落，从而有效防止大面积片帮及冒顶等事故的发生。

2 注水煤层力学特性分析

为研究不同含水率对煤层力学特性的影响，拟定对工作面原煤进行钻孔取样分析。但因该工作面煤体强度较低，完整取芯难度较大，故先将松散煤体取样、烘干、按一定比例加水搅拌，然后进行二次压缩，制作成试验所需的标准件。虽然压缩成型的试件与原煤取芯件在力学性能上存在一定的差异，但是却可以定性反映不同含水率工况对煤体受载特性的影响。

按照GB482-1995 规范的要求，先将松散煤体破碎成粒径约3 mm的微小颗粒，将其放入到恒温烘干箱，以110℃的温度烘烤3 h，接着将烘干后的煤体碾磨成100 目的细煤粉，最后按照不同含水率（2%、4%、6%、8%、10%、12%）的配比要求制作成试验标准件。

由图1 可知在本次参与试验的6 组试件中，内聚力随着含水率的增加而逐渐递增。在2%～12%区间内煤体抗剪强度随着含水率的增高而逐渐增加，12%含水率试件煤体的抗剪强度是2%含水率工况下试件的1.3 倍。这说明煤层注水后可以有效提高煤体的抗剪强度，从而有效防止因剪切破坏导致的煤壁滑移及片帮等情况的发生。煤体的抗压强度随着含水率的增加逐渐递减，从2%含水率试件到12%含水率试件，抗压强度减少了1.002 MPa，见图2。

图1 不同含水率对煤体抗剪强度/内聚力影响

图2 不同含水率对煤体抗压强度影响

3 现场工业试验研究

9714 工作面煤层平均厚度3.36 m，倾角2°～6°，采用走向长壁回采工艺，伪顶为砂质泥岩，平均厚度0.5 m，直接顶为砂质泥岩，平均厚度11.7 m，底板主要为厚度4.5 m的细砂岩。工作面煤壁酥软，煤体坚固系数为0.35，原煤平均含水率为1.92%。

工作面浅壁注水钻孔采用单排布置，开孔位置距巷道底板1.5 m，按照为2°～3°仰角施工，孔深5 m，直径为45 mm。封孔采用专用的“两堵一通”橡胶封孔器，该型封孔器的设计长度为1.2 m，通过向封孔器上的预留管路注射高压水，橡胶段直径变大，可以有效保证注水孔对水压的要求。

合理的注水压力既要保证煤体不会因水压过大而发生片帮、泄孔，同时又要保证在规定时间内，钻孔注水对周围煤体产生较好的浸润作用。结合工作面的现场条件及相关试验数据确定本次注水压力为3～5 MPa。每个钻孔的注水量以煤壁出现“挂汗”时视为合格，通过参照相关公式［6］计算，本次设计钻孔的注水量约为5.2 m3，单孔最长注水时间控制在3 h以内。

图3 浅壁煤层注水现场设备布置

4 注水效果评价

在煤层注水前，由于煤质较软，在机组割煤过后尚未移架前，经常发生大面积的片帮事故。同时支架顶梁至煤壁之间顶板也会发生冒落，给工作面的安全生产带来了较大的隐患。浅壁注水工艺实施后，给工作面拉架作业争取了宝贵的时间，煤壁片帮事故降低了将近80%，最大片帮深度也由过去的2.5 m降低为1 m，片帮影响范围为也由过去的15～20 m，普遍压缩到5～8 m，生产班工时利用率提高了15%，单月原煤产量最大增幅达0.03 Mt。

5 结论

1）煤层浅壁注水工艺能够将酥软煤壁由原先的松散态改造成抗剪强度较高的黏结层。

2）当煤体含水率在2%～12%区间内时，内聚力和抗剪强度两项力学性能指标随着含水率的增加而逐渐递增，煤体抗压强度则与含水率呈反比关系。

3）煤层浅壁注水工艺实施后，工作面最大片帮深度由过去的2.5 m减少到了1 m，片帮次数降低了80%。