大采高综采工作面煤壁片帮机理及控制技术研究

孟 伟

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟矿，山西 吕梁 033000）

随着矿井采掘深度的不断延伸，在开采煤层高度3.5 m～7 m 的厚煤层时通常采用大采高综采技术。大采高综采技术由于资源采出率高,煤炭含矸率低等优点作为一种高产高效的回采工艺得到广泛应用。伴随着煤层埋藏深度和工作面采高的不断增加,大采高综采工作面煤壁片帮、冒顶等问题日益严重，成为大采高技术亟待解决的理论技术难题。为此国内诸多学者开展相关研究，华心祝，谢广祥[1]为控制淮南张集矿12153 大采高综采工作面煤壁片帮,基于理论分析和数值模拟，提出了俯斜开采,采用“注浆+桁架锚杆”联合支护技术,提高采掘进度,加固煤壁和及时治理煤壁片帮。本文结合斜沟矿18108 工作面地质条件，针对工作面煤壁片帮严重问题，设计了“注浆+桁架锚杆”联合支护技术有效控制煤壁片帮问题，保证矿井安全采掘。

斜沟矿位于山西省兴县北50 km 处，井田东西宽4.5 km，南北长22 km，矿井面积约88.6 km2，设计年生产能力1 500 万t，现主要开采太原组2#、8#煤层。18108 工作面现在主要开采山西组8#煤层，煤层平均厚度5.2 m，煤层平均倾角8.9°。18108 运输顺槽设计长度765 m，断面为矩形，宽4.8 m、高2.4 m，开口位置位于8#南轨道巷东帮，方位角90°。巷道掘进过程中每隔100 m 在前进巷道右帮掘一个材料硐室，长8 m、深度1 m、高度2.4 m；
掘进过程中，在巷道低洼处施工临时水仓，长2 m、宽1 m、深度1 m。18108回风顺槽掘进断面形式如下：掘进断面11.52 m2，净宽4.6 m、净高2.3 m，净段面10.58 m2，采用锚网（索）支护，巷道掘进煤层为9 号煤层，其位于太原组中部K4 灰岩之上，煤层厚度1.56 m～1.72 m，平均厚度1.62 m，厚度变异系数11.6%，可采系数100%，煤层倾角3°，结构简单，不含夹矸，普氏系数f=1～2。

斜沟矿18108 工作面采用综合机械化掘进工艺，截至2021 年5 月6 日，巷道已掘进750 m。钻探资料显示，巷道掘进至720 m 时，位于巷道北部23 m 处存在一条X3 陷落柱，陷落柱长轴长24 m、短轴长17 m，长轴与巷道掘进方向近似平行，在720 m 前巷道掘进过程中围岩相对稳定；
当巷道掘进至720 m 时，位于陷落柱侧巷帮出现破碎、片帮现象。

2.1 矿井地质构造

结合斜沟矿水文地质资料显示，18108 运输顺槽掘进至750 m，位于巷道北侧存在一条X3 陷落柱，巷道与陷落柱纵轴平行布置，间距为23 m，巷道掘进时巷道内形成应力释放区，陷落柱应力沿煤柱向巷道内释放，释放期间对巷帮煤柱产生水平张拉应力，从而对巷帮煤柱产生破坏作用，导致煤柱出现破碎、片帮现象。

2.2 煤层赋存情况

斜沟矿18108 运输顺槽掘进煤层为8#煤层，结构复杂，煤层内含三层夹矸，多以砂质泥岩为主，总厚度为0.6 m。夹矸破坏了煤体稳定结构，导致煤体稳定性差。而18108 运输顺槽布置在煤层内，两帮为煤体，两帮煤柱在应力作用下支撑强度低，当煤柱受应力破坏后，煤柱出现严重剥离破坏，从而造成煤柱片帮。

18108 运输顺槽在构造应力作用下，煤柱出现严重破碎现象，通过钻探发现，从煤柱表层向深部形成围岩松动圈，且松动圈范围不断扩大，松动圈深度达2.4 m；
而原巷帮煤柱主要采用螺纹钢锚杆支护，锚杆长度为2 m、直径为20 mm，锚杆采用端头锚固方式，锚固长度为0.9 m，锚杆锚固位置为松动圈破碎岩体，导致锚杆锚固效果差，支护强度低。

为了保证18108 运输顺槽后期安全快速掘进，防止煤柱出现片帮现象，决定对片帮采取注浆加固煤体，同时采用桁架锚杆削弱煤体内构造应力破坏作用。

3.1 注浆加固技术

18108 运输顺槽片帮区采用深孔加固技术，为了不影响巷道掘进施工，注浆施工与巷道掘进同步进行，注浆施工滞后巷道迎头5 m 处进行，首先采用钻机对片帮煤柱施工一排注浆钻孔，钻孔施工在距顶板1.5 m，且与巷帮煤柱垂直布置，如图1 所示。

图1 片帮煤柱联合支护结构示意图（单位：mm）

注浆钻孔深度为5 m，直径为40 mm，钻孔间距为3 m，注浆钻孔施工完成后对钻孔内填入一根长度为3 m、直径为16 mm 的注浆花管，注浆花管一端与专用注浆泵连接。为了提高注浆效果，对注浆钻孔采用水泥砂浆、粉煤灰联合进行封孔处理，封孔长度为0.6 m。全部工序完成后开始进行注浆施工，为了加快注浆液凝固速度，提高注浆加固效果，决定采用聚氨酯、催化剂、凝固剂混合浆液，注浆时先高压后低压，低压稳定在1.5 MPa 左右，注浆时间控制在15 min～20 min。

注浆施工必须一次性完成，避免二次注浆出现压力不足、封孔难等现象，注浆完成后立即拔出注浆花管，并再次对孔口进行封堵，注浆完成3 h 后对注浆区域进行检查，确保注浆合格[2-3]。

3.2 桁架支护

3.2.1 桁架支护原理

桁架支护主要对围岩施工两根对称斜角支护体，在支护体之间安装预紧装置，并对两根支护体进行预紧作用，支护体在相向预紧的同时会对孔壁产生一个倾斜分力，两个分力垂直岩体面，从而对岩体内破坏作用力起到削弱、抵消作用，同时斜角支护体对围岩产生传统支护作用[4]。

3.2.2 桁架支护结构

18108 运输顺槽片帮处施工的桁架支护主要由加长锚杆、预紧装置两部分组成，其中加长锚杆长度为3.5 m、直径为30 mm，锚杆为螺纹聚氨酯锚杆。该锚杆具有柔性强、不易变形、支护强度高等优点。预紧装置主要由张拉器、张拉杆两部分组成，张拉器长度为0.5 m，可实现双向张拉，张拉杆共计两根，每根长度为1 m。

3.2.3 桁架支护工序

1）18108 运输顺槽掘进至750 m 时，对巷帮施工桁架锚杆支护，巷帮共计施工两排桁架，且两排支护呈迈步式布置。

2）首先在巷帮施工两根锚杆支护孔，第一排支护孔布置在距顶板0.8 m 处，钻孔间距1.8 m，同一组钻孔与巷帮呈70°夹角布置，且两个支护孔对称布置。

3）同一组锚索支护孔施工完成后依次对钻孔内锚注聚氨酯锚杆，采用MKC 型锚固剂进行锚固，锚固长度为1 m，锚固后对锚杆外露端安装张拉杆，并采用张拉器进行预紧。

4）同一排桁架锚杆支护布置间距为1.3 m，第二排桁架锚杆支护与第一排布置排距为1 m，且两排桁架支护呈迈步式布置[5]。

随着，斜沟矿18108 运输顺槽掘进至750 m，且已完全通过X3 陷落柱影响区域，通过对构造应力巷帮采取“注浆+桁架加长锚杆”联合支护后，巷道在后期掘进过程中未出现巷帮大面积片帮现象，巷帮原永久支护失效率由原来的17%降低为3%，两帮收缩量不足0.4 m，大幅提升了巷道成型率，保证了工作面的高产高效回采。