申建伟

（山西长治经坊庄子河煤业有限公司，山西 长治 047100）

大采高采煤法是目前厚煤层开采的主要发展方向之一，采高的增大必然也会引起工作面煤壁临空面积增大，并且对于仰采工作面，在矿压作用下煤壁片帮几率更大，支架容易出现支护效率下降、围岩稳定性降低、煤壁片帮等问题[1-2]。因此，解决大采高仰采工作面煤壁片帮问题是保证工作面安全高效开采的重要条件。

刘海龙[3]针对柳湾煤矿大采高仰采工作面片帮问题采用数值模拟及现场实测探明了其机理，制定了合理的控制方案；张江波[4]采用对煤壁进行预注浆改善支架应力状态有效控制了片帮现象； 马盟[5]分析了煤体硬度、支护强度、仰俯采对煤壁片帮的影响，确定了采用提高煤体强度和增大支护强度的方法对煤壁片帮进行控制。

1 矿井概况

经坊煤业位于山西省长治市，批准开采3 号煤层，生产规模3 Mt/a，3-602 工作面位矿井井田西北部，设计工作面走向长度1 600 m，倾斜长度200 m。3 号煤层厚4.24～6.52 m，平均6 m，采用一次采全高采煤方法，局部仰采段仰采角度为13°～14°，最大仰采角度高达17°。

通过在井下工作面对煤壁片帮和冒顶情况的统计分析，3-602 工作面主要发生为煤壁上部片帮现象，分析原因可能是由于支架前方空顶区增大，煤壁在自身重力影响下增大了煤壁片帮的可能性，工作面支架难以及时跟进，顶板的矿山压力导致顶板发生冒顶和煤壁片帮，为保证工作面安全高效开采，需针对煤壁片帮机理及加固技术进行研究。

2 大采高仰采面煤壁片帮机理研究

对于大采高工作面，煤炭采出后，煤壁由原先的三向受力状态转化为二向受力状态，其承载能力大大降低，在顶板矿山压力的作用下，导致煤壁表面位移增大，最终导致煤壁片帮发生。

2.1 仰斜开采煤壁破坏形式

（1）拉裂破坏

煤壁拉裂破坏主要由于在顶板矿山压力作用下，产生了横向拉应力，而此类煤较硬较脆，不能通过煤自身变形进行释放应力。因此，当横向拉应力大于抗拉强度时，煤壁拉裂破坏。

（2）剪切破坏

煤壁剪切破坏是相对于较软煤层，在顶板矿山压力和煤壁自重作用下，产生横向拉应力滞后，此类煤层可以通过自身变形进行释放应力。但最终煤壁内的剪应力大于煤自身抗剪强度时发生剪切滑动破坏。

2.2 大采高仰采工作面顶板结构力学分析

（1）采高对工作面顶板结构的影响分析

随着采高的增加，直接顶冒落高度增加，当直接顶垮落后不能充满采空区时，需要老顶断裂进行充填，因此形成平衡顶板结构的层位会增高。在大采高工作面时，采空区高度较高，上覆岩层断裂垮落过程较长，使得整个工作面围岩稳定性变差，进而导致煤壁片帮等情况发生。

（2）仰采角度对顶板结构的影响分析

图1中工作面进行仰采时，直接顶岩层垮落后堆积在采空区后方，采空区前方会形成悬空空间。上覆岩层在自身重力的作用下，产生一个沿倾斜角度的分力，这一分力导致顶板岩层有向采空区滑动的趋势，顶板岩层在此分力作用下更易产生裂隙直至破碎，这一角度的存在不利于顶板岩层形成平衡拱。同时在仰采工作面，支架顶梁后端不能完全接触顶板岩层，因此导致支架效率大大降低，当仰采角度不断增大时，直接顶岩层垮落后不是垂直底板冒落，而是由于重力作用，冒落后滑移一定的距离堆积于采空区后方，仰采角度越大这种情况越明显。煤体在此类情况下有向采空区后方运动的趋势，容易发生煤壁片帮以及顶板不规则冒落。因此仰采角度也是影响工作面顶板结构的重要因素。

图1 工作面仰斜推进时顶板结构

3 大采高仰采面片帮加固技术研究

3.1 注浆加固原理

注浆加固技术原理为在煤体或者岩体本身存在的裂隙中注入浆液后，间接提高煤体或者岩体的完整性，加固自身稳定性，直接表现为煤岩体各项力学参数加强，大大降低煤壁片帮及顶板冒落的可能性。主要体现在以下几个方面：

（1）裂隙面变形刚度及抗剪强度增加

煤岩体中存在裂隙经过注浆加固后，直观表现为裂隙面内摩擦角和内聚力增大，煤岩体其他力学指标会随之增大，注浆加固宏观上增强了围岩的完整性，微观上表现为改善了煤岩体的内部裂隙面的变形刚度及抗剪强度，进而减小煤壁片帮可能性。

（2）注浆压密转变围岩破坏机制

在煤岩体裂隙中注入浆液后，还可以改变煤岩体在承受压力时内部裂隙拉应力的形成，降低裂隙产生时的应力集中程度，改变煤岩体围岩破坏机制。

（3）浆液骨架作用

浆液注入裂隙后，不但会充填满内部裂隙，还会在煤岩体内部形成纵横交错的网络骨架结构，骨架结构有着较好的韧性和抗拉收缩性能。当煤岩体承受外部压力导致受拉时，骨架结构会发生变形用来抵抗外部受力，从而提高围岩的各项力学指标，降低围岩破坏的扩展，从而减小煤壁片帮可能性。

3.2 注浆加固材料选择及施工工艺

根据相似工作面的注浆经验，采用具有膨胀性、强度较高的注浆加固材料波雷因（PN-1）。波雷因材料是一种有机高分子双液型注浆材料，注入破碎岩体后迅速反应与岩体凝固生成高强度、有韧性的固结体，从而达到对岩体的加固，用于工作面煤壁注浆加固防止片帮，断层破碎带预注浆加固。此类材料由A、B两种材料组成，将两种材料依次注入到破碎煤岩体中时，会发生一系列复杂的化学反应，生成强度较高、具有较大粘结性能的弹性体，在裂隙内膨胀、渗透，贯穿裂隙面形成纵横交错的网络骨架，起到充填加固作用，使得较为破碎的煤岩体形成一个整体，降低片帮发生的可能性。

根据工程经验选取注浆参数：钻孔直径为60～80 mm，深度4～6 m，注浆压力为4～6 MPa，注浆扩散半径不小于2.5 m；单孔注浆量为150～250 kg，采用布袋封孔方式进行封孔。

3.3 注浆加固技术方案

（1）超前两巷注浆

超前两巷注浆选取在超前工作面煤壁50 m开始，间隔一定距离从工作面两巷向煤体进行钻孔注浆，进而加固煤体。3-602 工作面注浆钻孔见图2、图3。在仰采段注浆孔沿上、下顺槽布置，与顺槽夹角为60°，注浆孔每间隔3 m布置一个，位置位于顶板下方1.5 m处，所有注浆孔平行布置，钻孔直径60～80 mm，钻孔深度为60 m。

图2 上下巷注浆钻孔平面

图3 工作面上巷注浆孔布置剖面

（2）工作面直接注浆

工作面直接注浆方案为：在工作面煤壁分别向煤体和顶板进行钻孔注浆，提高煤体和顶板岩层的完整性，注浆管还可以与煤岩体粘结在一起起到锚固作用。沿着煤壁每2 m布置一个注浆孔，分为高位孔和低位孔，两类孔间隔布置，均在顶板下方1.5 m处进行钻孔，高位孔上仰角为30°～40°，孔深4.5 m，低位孔上仰角为10°～15°，孔深6 m，见图4、图5。

图4 工作面加固段注浆孔布置断面

图5 煤壁高、低位注浆孔布置

4 大采高仰采工作面矿压控制其它技术措施

1）加快工作面推进速度

加快工作面推进速度可以减小超前支承压力对煤壁的作用时间，减小煤体损伤程度，减小煤壁片帮可能性。根据相似工作面开采经验，经坊煤业3-602 工作面日推进速度最小为2.4 m，当工作面仰采推进时，可适当提高工作面推进速度，进而减小煤壁片帮可能性。

2）及时带压移架并提高初撑力

及时带压移架，支护顶板，使得支架顶梁与顶板保持紧密接触，减小煤壁承受的顶板压力，进而可以避免煤壁片帮发生。支架初撑力要严格要求达到额定工作阻力的80%，支架接顶后，继续送液3～5 s。

5 结语

针对经坊煤业3-602 大采高仰采工作面煤壁片帮问题，采用理论分析和现场经验手段进行了研究，得到了如下结论：

1）理论分析得到大采高仰采工作面煤壁在自身重力及顶板矿山压力的作用下，主要产生剪切破坏和拉裂破坏两种破坏形式；分析了采高和仰采角度对顶板结构的影响；

2）根据相似工作面注浆经验，确定了相关注浆参数，并提出了两巷超前注浆和工作面煤壁注浆两种不同的煤岩体加固注浆方案；

3）可以通过加快推进速度、及时带压移架控制工作面煤壁片帮。