大采高工作面煤壁片帮防治技术研究

高晓彬

（山西焦煤西山煤电晋兴能源公司斜沟煤矿，山西 兴县 033699）

随着矿井开采煤层赋存条件的恶化，采煤工作面煤壁以及顶板冒落等事故发生频率呈增加趋势[1]。某矿现阶段开采的7号煤层赋存较为稳定，但是地质条件较为复杂、煤体硬度较高、裂隙以及节理发育，导致采煤工作面出现较为严重的片帮问题。特别是采面来压期间片帮严重制约煤炭高效、安全回采。为此，对矿井采煤工作面片帮发生原因进行分析，并针对性提出片帮防治技术，现场取得显著片帮防治效果。

1 工程概况

山西某矿3702综采工作面开采7号煤层，煤层埋藏深度平均465 m，厚度4.9 m，采用综采开采工艺一次采全高，采面采高平均4.85 m，沿着7号煤层顶板推进。7号煤层倾角5°、硬度介于0.6~1.3。煤层直接顶、直接底均为砂质泥岩，厚度分别为1.56 m、2.94 m；基本顶、基本底均为粉砂岩、砂质泥岩互层，厚度分别为3.64 m、5.21 m。采面开采范围内发育有多个落差在1.0 m左右的正断层，受到断层影响部分区域煤层以及顶底板岩性较为破碎。

根据现场监测发现，3702综采工作面片帮问题较为突出，割煤时基本均发生片帮，其中采面推进至305 m位置时，在53号~56号支架间出现的片帮深度、高度平均分别达到1 750 mm、1 276 mm。采面片刚频繁发生给煤炭正常回采带来显著的影响。

2 采面片帮发生原因分析

1）根据已有研究结果表明，采空区内自由空间与煤层开采高度成正比。当采空区内有较大的自由空间时顶板垮落的岩层难以有效充填整个回采空间，造成垮落岩层无法有效支撑煤层顶板，使得采面煤壁受到较大的顶板压力，造成煤壁片帮发生率增加[2-3]。

2）3702综采工作面回采的7号煤层硬度虽然在0.6~1.3间，但是煤体裂隙较为发育，承载能力相对较低。仅仅通过煤壁难以有效抵抗顶板压力，若采面内布置的液压支架初撑力、工作阻力等较低，不能有效分担顶板压力，会使得本已破碎的煤体在顶板压力下进一步破碎，加剧煤壁片帮[4]。

3）7号煤层本身裂隙较为发育，在超前支撑压力影响下裂隙进一步扩展，使煤体强度进一步降低。若此时液压支架与煤层顶底板接触不佳，导致煤壁边缘位置处出现一定程度的应力集中，此时极易出现片帮[5]。

4）一般情况下采面推进速度越快煤壁稳定性越好。当采面回采速度较慢时，采动引起的超前支承压力会向深部煤体转移，顶板作用到煤壁上的压力增加。当煤壁支撑强度小于顶板压力时煤壁破坏深度随之增加，导致顶板下沉量增加。顶板下沉与煤壁破坏相互作用，严重时导致片帮。

3 煤壁片帮防治技术

3.1 片帮防治措施

根据上述分析结果看出，煤壁片帮与煤体自身强度、顶底板岩性、采面推进速度以及支架支撑效果等因素相关[6]。为此，文中提出下述片帮防治措施：

1）增加采面推进速度。增加采面推进速度可使得超前支承压力向深部煤体转移，从而降低超前支承压对煤壁的影响，从而缓解煤壁片帮问题。

2）增加煤体强度。若采面回采范围内煤体裂隙发育时可通过注浆等方式对煤体进行加固，从而提升煤体自身承载能力。在煤体中注入化学浆液可提升煤体整体强度，从而大幅降低煤壁片帮发生率；采取超前注水方式可改善煤体力学性能，避免破碎煤体范围进一步扩展。

3）增加支架支撑强度。通过适当的增加液压支架初撑力以及工作阻力，使得液压支架与7号煤层顶板密切接触，通过煤壁以及液压支架共同抵抗来至于顶板的压力。

4）适当降低采高。一般情况下采高越大煤壁片帮发生率越高。当采面推进至断层破碎带等范围时，可适当降低采面开采高度。

3.2 超前注浆加固

3.2.1 注浆加固参数

针对3702综采工作面回采的7号煤层煤体本身强度低、裂隙发育等问题，提出采用超前注浆措施加固煤壁强度。注浆选用的材料为固特瑞，为了充分发挥加固效果并提升煤体承载力，注浆压力设计为6~8 MPa，瞬间最大注浆压力控制在12 MPa以内，避免注浆压力过大导致煤体出现新的裂隙。由于注浆孔本身间距较小，为了避免注浆浆液出现窜孔问题，采用间隔注浆方式进行注浆，注浆参数见表1。

表1 注浆参数

3.2.2 注浆加固效果

在3702综采工作面进行超前注浆加固后，煤壁大范围片帮问题得以有效控制，虽然开采时部分支架间仍有片帮发生，但是片帮深度、高度以及影响范围等均较小，基本不会给采面正常回采带来影响。具体煤壁注浆前后采面片帮分发生次数及深度对比情况见图1所示。

从图1看出，对煤壁注浆后片帮发生次数降幅达到60%以上，片帮深度降低达到56%。通过在采面采取注浆加固后，煤壁片帮问题得有明显改善，在一定程度上提升了采面生产效率。

图1 注浆前后片帮次数以及深度对比曲线

4 结论

1）3702综采工作面回采的7号煤层煤体以及顶底板裂隙发育，在顶板压力作用下煤壁片帮较为严重，从而给煤炭的正常安全回采带来较大威胁。在对采面片帮原因分析基础上，提出针对性片帮防治措施并具体对使用的注浆加固技术现场布置参数进行详细设计。

2）在采面通过注浆后煤体强度以及稳定性等均得以显著提升，片帮发生次数以及深度较注浆前降幅分别达到60%、56%以上，采面片帮问题得以明显改善。