三软煤层煤壁片帮控制技术分析

赵 亮

(山西新元煤炭有限责任公司，山西 寿阳 045400)

三软煤层通常指目标矿井所属区域煤层顶底板及煤岩体本身较为松软，在其开采过程中，由于巷道围岩压力较大，因此很容易出现不同程度的变形[1]。在三软煤层工作面进行巷道支护时，应当综合考虑巷道围岩自身承载力，确保支护的整体刚度以避免出现片帮、顶板冒落及底鼓等问题。基于此，煤矿相关研究人员从多个方面对煤壁片帮原因进行了研究，包含矿山压力变化规律、煤岩体自身物理化学性质以及支护模式等。然而，由于中国大部分煤炭位于较为复杂的地质环境条件下，不同矿井的地质特性存在一定的差异，因此需要根据目标矿井所处区域煤岩体特性采取针对性防片帮措施。

1 工程概况

目标矿井设计生产能力为120万t/a，目前正在开采的15031工作面位于井田的中部区域，其南侧为采空区，北侧为与其并行开采的15032工作面，东侧为矿井运输大巷及回风巷。目前，目标矿井的主采煤层为9号煤层，整个煤层平均厚度为3.5 m，倾角平均为6°，属于缓倾斜煤层，煤层的普氏系数为0.2～0.7，煤层的整体结构较为简单。其中，目标煤层上半部的岩石由于长期受到挤压等外界力的影响，出现了不同程度的破碎，整体结构较不稳定煤层结构简单，不存在大范围断层及褶曲结构。顶板岩性以泥岩及砂质泥岩为主，整体岩石自身粘结力较弱，抗压强度为20 MPa，抗拉强度为0.71 MPa，属于典型三软煤层。

2 片帮主要原因分析

目标矿井现阶段的支架围岩体系中支架以及煤壁是承受整体矿山压力的主体，其稳定性对于整个矿井巷道的稳定性具有极其重要的意义[2]。然而，在实际生产过程中，煤壁稳定性较差经常是导致整个体系失稳的主要原因。从力学角度分析，煤壁片帮是由于煤岩体所承受压力超过其自身承载力而导致。目标矿井15031工作面出现片帮的原因主要为，煤岩体承受的压力值超过其自身承载极限，从而产生变形的岩体碎块，同时，外界支撑设备不能在较短时间内完成支护而导致片帮。基于此，本文从矿山压力、煤岩体自身承载力以及支护效果三个方面对片帮的主要原因进行综合分析。

1) 矿山压力影响。实际生产过程中，目标矿井工作面煤体所承受的压力值主要来源于垂直地应力、老顶破断后传导的压力以及直接顶自重三个方面[3]。为了进一步分析15031工作面的超前支承压力对于整体煤壁稳定性的影响，超前支撑压力的分布情况见图1。

图1 15031工作面超前支承压力分布情况

由图1可知，随着工作面推进距离的增加，对应的超前支承压力值呈现明显增大趋势，对应的最大值可达41.93 MPa，集中系数可以达到2.7。当工作面推进30 m时，距离工作面30 m范围内的超前支承压力发生较为明显的变化，特别是距离工作面15 m时的支承压力值可达到最高。由此可见，巷道前段承受顶板周期压力、采动影响较为明显。同时，当工作面向前推进至90 m时，距离工作面20 m范围内超前支承压力也呈现不断上升的趋势。随着工作面不断向前推进，对应的超前支承压力最高值出现的位置也距离工作面越来越远。由此可见，超前支承压力主要受采动影响，同时，在距离工作面大于75 m的区域范围内的阻力值基本不变，表明距离工作面75 m以外的煤岩体几乎不受采动影响。

通过分析超前支撑压力的最高值可以发现，与其所处工作面自身承载力相比，约为单体液压支柱抗压强度的十倍。同时，在工作面回采后，煤岩体原有的受力状态均转化为单向卸压状态，导致没有外力干扰的破碎岩体由于其自重作用发生运动，最终将会导致片帮以至冒顶。

2) 煤岩体自身承载力。工作面煤壁片帮除会受采动影响外，还与岩体自身集中应力、抗压强度及抗变形能力等有密切关系。15031工作面所采煤层属于三软煤层，煤体自身裂隙较多，严重影响了自身的稳定性。当煤岩体受外界压力影响较大时会出现不同程度的变形，使煤壁体的裂隙相互贯通，最终引发片帮。同时，采用放顶煤开采工艺时，工作面的超前支承压力逐渐增加，其破坏范围也在不断扩大，如不及时采取措施会导致更为严重的失稳。

3) 支护有效性。为防止巷道出现片帮，在工作面支护过程中也应当合理选择支护设备。支护设备除起到支撑作用外还应当起到一定的保护作用，支护过程中应保证支护设备自身的稳定性，避免由于参数不合理而导致载荷过大，进而使煤壁承受的外界压力值过大，最终导致片帮。实际生产过程中，出现片帮也会使设备自身发生不同程度的变形。因此，随着工作面的不断推进，应当对设备的支护能力进行优化，出现失效情况时应当及时采取对应措施。

3 片帮防治措施

3.1 增加支架保护装置

为进一步保证巷道煤壁的稳定性，应当采用工作阻力较高的液压支架作为支护设备，由于工作面支护设备大多已投入使用。因此，为增强原支护效果，需要在现有的支架上安装保护装置以加强支护能力。

3.2 加强煤壁自身承载力

1) 煤壁注水。由于目标工作面煤壁稳定性较差，注水时应当根据煤体实际情况进行综合计算，其中，注水孔距离煤壁顶板的距离应当依据煤层自身采放比进行计算，一般情况下的注水孔距顶板约为0.3～0.6 m，注水倾角一般为15～30°。现场实践后发现，注水有效半径为3 m左右。综合分析上述相关参数同时结合目标矿井生产实际，加强煤壁自身承载力的注水参数设计如下：注水孔间距设计为4 m，孔深5.5 m，注水压力3～5 MPa，采用水力膨胀型封孔器，有效封孔深度为1 m，注水时间为15 min。

2) 工作面打锚杆。当工作面煤体破损较为严重时，可以使用锚杆加强巷道煤体稳定性。一般情况下，沿工作面顶板以 0.2 m间隔打设锚杆，其中锚杆的参数为：长1.8 m，直径45 mm。特殊情况下可以采用错位补打锚杆的方式以加强整体锚固力。其中，为进一步加强锚固效果，可以在锚杆打设完毕后在对应位置注水以加强煤体膨胀，通过锚固剂与水的综合作用实现整体稳定性的提升。

4 结 语

综上所述，当煤体本身结构较为松软时，很容易受采动影响而导致出现片帮、顶板垮落等现象，最终对正常生产造成严重危害。实际生产过程中，三软煤层的片帮一直是煤矿开采过程中的主要问题，通过对目标矿井片帮情况进行实测后发现，可以通过采用有效措施对其原有片帮情况进行改进以实现整体稳定性提升。其中，煤壁片帮大多与煤岩体自身性质、矿山压力值以及支架支护等密切相关。结合目标矿井生产实际，对其原有的支护模式进行改进且经现场应用后发现，采用加固措施后，整个巷道的煤岩体稳定性显著增强，矿山安全生产系数显著增加。