松软煤层大采高片帮冒顶防治技术

郭小将

（汾西矿业安全监察中心，山西 介休 032000）

0 引言

当开采煤层厚度较大且较为松软时，煤炭回采期间容易出现片帮问题，特别是回采遇地质构造发育区，煤壁片帮、冒顶等问题更为突出，给煤炭安全回采带来制约[1-2]。近些年来，国内多个矿井曾出现片帮、冒顶伤人事故，如庄旺煤业50206 回风顺槽巷道、柴达尔煤矿301 采区3690 综采工作面等均出现冒顶事故，造成多人伤亡并带来严重的经济损失。片帮、冒顶等事故与煤层性质、顶板岩性、开采地质条件以及煤炭开采工艺等因素密切相关，众多的学者对片帮、冒顶防治技术展开研究，并提出通过注浆、注水、提高采面顶板支撑强度、补打木锚杆以及适当提升推进速度等方式进行片帮、冒顶防治，现场应用取得一定效果[3-5]。山西某矿31302 综采工作面回采13#煤层松软且厚度大，采面煤炭回采期间煤壁容易片帮进而导致顶板空顶、冒落等问题，文中就以该采面回采为工程背景，结合以往研究成果针对性提出片帮、冒顶防治技术，以期更好的促进煤炭安全高效开采。

1 工程概况

1.1 地质概况

31302 综采工作面位于南翼三采区，采面设计倾向长300 m、走向长2 850 m，开采的13#煤层厚度介于3.6～6.9 m、均值5.3 m，煤层倾角3°～11°，煤层松软，顶底板岩性以砂岩、泥岩、粉砂岩为主，具体如表1 所示。31302 综采工作面采用U 型通风方式采高为5.3 m，配备7LS7-LWS923 采煤机，液压支架选用ZY13000/28/63D、空顶距4 950～5 750 mm，液压支架由电液控制系统控制，自动化程度较高。根据已有地质资料显示，在31302 综采工作面回采期间会遇地质构造影响带，期间煤层及顶底板裂隙发育。

表1 13#煤层顶底板岩性

1.2 片帮情况

在31302 综采工作面回采期间，采面中部位置片帮较为严重，对片帮情况进行监测，具体如图1 所示。从监测结果看出，采面中部最大片帮高度接近1 300 mm、最大片帮深度接近950 mm，片帮发生主要集中在采面靠近顶板上部位置。采面片帮发生后会导致顶板出现一定悬空问题，虽然通过支架顶梁、伸缩板等支护，但是支护强度仍较低，存在一定程度的冒顶风险。

图1 煤壁片帮监测结果

2 片帮冒顶防治技术

增强煤体以及顶板稳定性是实现片帮、冒顶防治的关键，为此提出以注浆为主的片帮、冒顶防治技术，并辅助采用增大采面支架支撑强度、及时前移液压支架等措施。注浆时机、注浆参数会直接影响煤体及顶板注浆效果。为降低注浆给采面生产影响，注浆以回采巷道内超前注浆为主并辅助采面内局部注浆。

2.1 回采巷道超前注浆

2.1.1 注浆加固时机

回采巷道超前注浆加固时机会直接影响注浆加固效果。煤炭开采时超前采面一定范围的煤体及顶板岩体在动压影响下会产生一些裂隙，在裂隙扩展范围且不会采面回采带来影响位置进行注浆，不仅可提升注浆效果而且可以降低注浆给回采影响。31302 综采工作面超前支承压力分布，如图2 所示，由于13#煤层顶板承载能力较差，开采后超前支承压力影响影响范围在采面前方55 m 以内。

图2 31302 超前支承压力分布范围

根据采面超前支承压力分布及对顶板、煤体裂隙发育影响，分为4 个区域，具体各区域分布范围、裂隙扩展情况以及注浆可注性分析结果为：区范围在采面前方0～4 m，该范围受采动影响较为显著，煤体及类型发育，若在此范围进行超前注浆则面临漏浆严重、可注性差等问题，同时钻孔施工成孔困难；区范围在采面前方4～20 m 区间，该范围煤体内承受较大的超前支撑压力，煤体破碎程度增加、裂隙发育且部分裂隙与采面联通，在注浆时容易导致浆液外溢，同时注浆点位于回采巷道超前加固区，注浆空间受限；区位于采面前方20～55 m 范围，该范围在采前超前支承压力影响下裂隙有所扩展，适合采用高压注浆，同时不在超前支护区，注浆空间更大同时安全性更好；区位于采面前方55 m 以外范围，采动影响较小且裂隙不扩展，注浆难度较大。综合上述分析，认为合理的注浆时机应为超前采面前方20～55 m 范围，综合考虑巷道顶板条件、超前支承压力影响等，将注浆时机确定为采面前方30～45 m 范围。

2.1.2 钻孔钻孔布置

具体采面注浆暂钻孔布置，如图3 所示。在运输巷及回风巷内均施工注浆钻孔，钻孔孔深统一为150 m。超前采面50 m 以外范围内即施工注浆钻孔，钻孔施工完成后先不注浆，待钻孔距离采面30～45 m 时，开始进行深孔高压注浆。由于煤壁片刚主要集中在采面靠近顶板位置，因此布置的注浆孔开孔位置偏向煤层上部且有一定的仰角，便于排渣以及对顶板进行加固。

图3 超前注浆孔布置示意图

超前注浆孔孔深均为75 mm、钻孔布置2 排、排距为1 m，钻孔间距为10 m，2 排钻孔呈三花眼布置，下排、下排钻孔开孔距巷道顶板2、3 m。注浆材料选用加固1#，有效扩散半径5～8 m。注浆压力为15～20 MPa，注浆泵型号为ZBYSB190/32-55。

2.2 采面局部注浆

在31302 综采工作面回采期间遇煤壁片帮严重区或者超前注浆加固空白区时，可在采面检修班进行局部注浆，提升煤体稳定性。具体采面内注浆钻孔布置如图4 所示，注浆孔开孔布置在距离底板2 m 位置，仰角25°～35°、孔深6.0 m、间距5 m。注浆浆液选用聚氨酯，注浆压力5 MPa 以内。采面内采用便于移动的PTU-MZI 注浆泵，该注浆泵注浆压力0～8 MPa可调。

图4 采面局部注浆示意图

2.3 其他辅助措施

在采用注浆措施后，可辅助采用强化顶板、液压支架管理等措施对片帮、冒顶进行防治，同时在条件允许是可适当增加开采速度。

1）适当增大液压支架支撑阻力，提高对顶板支护强度，确保支架、顶板、煤壁稳定；采煤机割煤后通过电液控制系统及时推移液压支架并伸出护帮板给煤壁一定水平作用力；超前采煤机1～2 个支架回收护帮板，减少煤壁未支护时间，有助于维护煤壁稳定。

2）当采用注浆等措施仍出现煤壁片帮严重问题是，可配合采用木锚杆、玻璃钢锚杆等方式对煤壁进行加固。

3 现场应用效果

31302 综采工作面回采巷道注浆期间，单孔注浆量在0.8～1.9 t 间，注浆时间控制在2 h 以内，注浆加固后煤壁片帮及冒顶问题基本得以杜绝，采面基本不需要注浆或者施工锚杆等措施，仅需要强化顶板及液压支架管理即可。对片帮、冒顶防治措施应用前后采面片帮治理效果进行分析，具体如图5 所示，在防治措施应用后煤壁片帮次数减少68%以上，虽然局部位置有片帮发生但是片帮宽度、深度均较小，不会导致顶板悬空问题。

图5 片帮治理效果

4 结论

1）31302 综采工作面存在煤壁片帮、部分位置出现漏顶问题。提出以超前注浆为主的片帮、漏顶防治技术，通过注浆提升松软煤体及煤层顶板承载能力，降低片帮、冒顶方式率。

2）依据现场情况结合超前支承压力分布情况，确定合理的注浆加固时机为超前采面30～45 m；在采面回风巷及运输巷均布置孔深150 m 钻孔，向钻孔内注入加固1#浆液并采用高压注浆，设计超前注浆钻孔布置方案及注浆参数。在局部片帮严重区域或者超前注浆空白区，辅助采用采面局部注浆，注浆浆液选用聚氨酯，注浆压力在5 MPa 以内；在采面回采时强化顶板、液压支架及煤壁管理，避免片帮、冒顶发生。

3）现场应用后，31302 综采工作面回采期间，煤壁片帮、冒顶发生率及影响程度明显降低，局部位置出现的片帮深度及高度均在300 mm 以内，不会给采面生产带来显著影响。