高瓦斯綜放工作面陷落柱影響區(qū)精準(zhǔn)超前深孔注漿加固研究

李文洲

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013 )

近年來(lái)我國(guó)煤礦產(chǎn)量逐年增加，造成采掘銜接緊張。部分礦區(qū)工作面回采過(guò)程中由于地質(zhì)構(gòu)造等的存在，造成工作面部分區(qū)域地應(yīng)力賦存狀態(tài)復(fù)雜，應(yīng)力分布集中，煤巖體破碎，嚴(yán)重影響工作面的正?；夭?，不僅造成煤炭產(chǎn)量的減少，而且大大降低了工作面及礦井的服務(wù)年限。對(duì)于高瓦斯礦井來(lái)說(shuō)，陷落柱等影響范圍造成瓦斯集聚，對(duì)工作面的正常回采等造成很大的安全隱患，增加了煤礦安全管理成本。因此如何有效降低陷落柱等地質(zhì)災(zāi)害對(duì)工作面回采的影響，提前對(duì)斷層、陷落柱等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)加固處理，減小對(duì)工作面回采的影響，已成為高瓦斯工作面回采過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

山西潞安礦務(wù)局常村煤礦S3-13工作面位于山西省長(zhǎng)治市屯留羿神110kV變電站南部，老軍莊村東部。地面標(biāo)高+936.6～+939.5m，S3-13工作面煤層底板標(biāo)高+435～+482m。

S3-13工作面呈矩形，走向可采長(zhǎng)度1461m，傾斜長(zhǎng)度228m，煤層平均厚度5.8m，采高3.0m，采放比1.1∶1，循環(huán)進(jìn)度0.75m，采出率93%，工作面煤層傾角0～7°，可采指數(shù)1.0，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.98。距S3軌道下山下部延伸段北幫417m停采。主采煤層為3號(hào)煤，含夾矸1層，厚度為0.34m。3號(hào)煤上部發(fā)育有7，8，9，10，11，12號(hào)6個(gè)砂巖含水層，除7，8號(hào)含水層距3號(hào)煤層較近外，其他含水層距3號(hào)煤層較遠(yuǎn)，而7，8號(hào)含水層為弱含水層。根據(jù)三維地震勘探二次解釋及打鉆探測(cè)結(jié)果顯示：距切眼南幫245.3～279.6m、距S3-13膠帶巷西幫5.8～71.2m位置，發(fā)育有aXn9陷落柱，陷落柱不導(dǎo)水，陷落柱的存在對(duì)工作面的安全回采造成嚴(yán)重影響。

2 陷落柱影響范圍圍巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力分布規(guī)律分析

2.1 S3-13工作面陷落柱分布范圍

對(duì)S3-13高瓦斯綜放工作面回采造成影響的主要為陷落柱aXn9，為了詳細(xì)了解陷落柱影響范圍及相關(guān)情況，采用三維地震勘探及打鉆進(jìn)行了探測(cè)，以現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記位置P1為基點(diǎn)，共布置7個(gè)探測(cè)點(diǎn)，如圖1所示，探測(cè)點(diǎn)布置參數(shù)及探測(cè)結(jié)果見表1。

圖1 aXn9 陷落柱范圍

鉆孔位置(以P1為基點(diǎn))角度/(°)深度/m鉆孔結(jié)構(gòu)1號(hào)P1往南15.8m+57013.5m煤+30m巖+6m煤+20.5m巖+868.513.5m煤+45m巖+10m煤+106213m煤+34m巖+15m煤+127013m煤+47m巖+10m煤2號(hào)P1往南0.8m+7727.5m煤+64.5m巖+9786m煤+64.5m巖+7.5m煤+1180.56m煤+64.5m巖+10m煤3號(hào)P1往北15.8m+108080m全煤4號(hào)P1往南30m+97575m全煤5號(hào)P1往南23m+97070m全煤6號(hào)P1往北9.5m+108023.5m煤+46.5m巖+10m煤7號(hào)P1往北12.5m+1068.530m煤+28.5m巖+10m煤

S3-13工作面aXn9 陷落柱的探測(cè)顯示，陷落柱距S3-13工作面切眼南幫245.3～279.6m、距S3-13膠帶巷西幫5.8～71.2m，陷落柱東邊界距膠帶巷西幫6m，北邊界距切眼南幫246m。陷落柱不導(dǎo)水，aXn9陷落柱東西方向長(zhǎng)65.8m，南北方向長(zhǎng)35.5m。

2.2 地應(yīng)力分布影響

采用小孔徑水壓致裂測(cè)量方法對(duì)S3-13工作面地應(yīng)力情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，工作面最大水平主應(yīng)力值為12.5MPa，最小水平主應(yīng)力為6.95MPa，垂直主應(yīng)力為9.58MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹33.4W，工作面屬于構(gòu)造型應(yīng)力場(chǎng)。

2.3 陷落柱影響區(qū)域圍巖結(jié)構(gòu)窺視

為了對(duì) S3-13工作面陷落柱aXn9圍巖結(jié)構(gòu)及賦存狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)，在S3-13工作面膠帶巷共布置4個(gè)窺視孔，孔深為30m。通過(guò)對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的調(diào)查，aXn9陷落柱影響區(qū)域圍巖裂隙發(fā)育，部分位置圍巖剝落，裂隙中膠結(jié)物充填，部分膠結(jié)物泥化；部分位置存在流水現(xiàn)象，對(duì)陷落柱裂隙充填物造成較大影響，圍巖強(qiáng)度較低。

3 陷落柱煤體壁側(cè)深孔注漿綜合加固研究

3.1 注漿漿液的改進(jìn)

通過(guò)前期陷落影響區(qū)域圍巖結(jié)構(gòu)及位置的精準(zhǔn)調(diào)查，結(jié)合高瓦斯綜放工作面的情況，精準(zhǔn)超前注漿材料以32.5MPa普通硅酸鹽水泥為主材，針對(duì)水泥漿液粘結(jié)性較差的特點(diǎn)，開發(fā)了新型水泥添加劑，與水泥水玻璃雙液漿配合使用，水泥漿水灰比范圍0.6～0.8，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際添加劑用量為水泥重量的8%～10%。通過(guò)拉拔方式對(duì)復(fù)合漿液結(jié)石體粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)采用直徑32mm鋼管的人造鉆孔，長(zhǎng)400mm，一端封閉；采用直徑22mm高強(qiáng)錨桿為拉拔桿體，長(zhǎng)1000mm；錨固劑為改性漿液，錨固長(zhǎng)度300mm。 對(duì)不同水灰比、不同添加劑等參數(shù)情況下粘結(jié)性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著漿液凝固時(shí)間的增加，試樣粘結(jié)性能逐漸增強(qiáng)，錨固漿液凝固7d后，粘結(jié)力達(dá)到85kN，比不加添加劑時(shí)粘結(jié)性能提高了60%。試驗(yàn)表明：水泥漿水灰比0.7，實(shí)驗(yàn)室添加劑用量為水泥重量的10%～15%時(shí)，漿液結(jié)石體粘結(jié)效果最好。

圖2 不同水灰比改性液用量與抗拔力間關(guān)系曲線

3.2 陷落柱煤體壁側(cè)精準(zhǔn)超前深孔注漿加固方案

3.2.1 加固范圍及材料

根據(jù)陷落影響區(qū)域圍巖結(jié)構(gòu)的調(diào)查結(jié)果，確定加固范圍為S3-13膠帶巷陷落柱影響范圍40m。

S3-13工作面中下部煤體注漿加固采用32.5MPa普通硅酸鹽水泥水玻璃漿液，配合水泥漿添加劑(粘結(jié)改性液)，水泥添加劑用量為水泥重量的15%，中上部煤體采用粘度低、滲透力強(qiáng)、固結(jié)強(qiáng)度高的化學(xué)漿(天地加固101)，由A，B雙組份以1∶1構(gòu)成。A，B雙組份混合后的固化時(shí)間為30～60min。封孔采用長(zhǎng)450mm,直徑42mm橡膠封孔器。

3.2.2 注漿工藝

(1)水泥改性漿液注漿參數(shù) 根據(jù)膠帶巷煤層和陷落柱相對(duì)位置關(guān)系，共布置2排水泥注漿孔，距離底板分別為1.4m和1.8m， 間距3m，孔深70m，注漿孔水平方向垂直于煤壁，仰角分別為7°和8°59′，水泥注漿孔布置如圖3所示。鉆孔過(guò)程中利用原有的瓦斯抽放孔，如果塌孔嚴(yán)重，在孔口埋入孔口管，進(jìn)行孔內(nèi)注漿護(hù)壁(造壁)。護(hù)壁注漿結(jié)束，待漿液初凝后，抽出孔口管。采用分段后退式高壓注漿。由孔底向孔口分3段注漿，孔底向外第1段長(zhǎng)度25m，第2段長(zhǎng)度25m，第3段長(zhǎng)度20m，塌孔護(hù)壁注漿壓力3～5MPa，加固注漿壓力25～30MPa。

圖3 S3-13工作面膠帶巷水泥注漿孔布置

(2)化學(xué)漿注漿參數(shù) 為了提高注漿效果，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，增加一排化學(xué)注漿孔，距離底板1.8m，間距4m，孔深70m，垂直巷幫水平轉(zhuǎn)角和仰角分別為0°和9°26′，化學(xué)注漿孔布置如圖4所示。注漿方式為后退式分段分區(qū)注漿，注漿孔從孔底到孔口分3段，第1段長(zhǎng)度25m，第2段長(zhǎng)度25m，第3段長(zhǎng)度20m，注漿壓力10～12MPa。

圖4 S3-13工作面膠帶巷化學(xué)注漿孔布置

4 加固效果及評(píng)價(jià)

現(xiàn)場(chǎng)施工完畢后，為了檢驗(yàn)注漿效果，采用地質(zhì)雷達(dá)和開挖的方式對(duì)注漿效果進(jìn)行了檢測(cè)，注漿效果檢測(cè)結(jié)果如圖5～圖7所示。由圖可知，雷達(dá)圖波形均勻分布，說(shuō)明注漿后煤巖體完整。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開挖，當(dāng)S3-13工作面回采到達(dá)陷落柱影響范圍后，工作面煤體完整，沒(méi)有出現(xiàn)煤壁片幫、漏頂?shù)惹闆r，注漿效果較好。通過(guò)對(duì)高瓦斯綜放工作面陷落柱深孔預(yù)注漿加固處理，恢復(fù)了煤巖體的完整性，提高了陷落柱附近區(qū)域煤巖體的強(qiáng)度，保證了工作面的安全回采。

圖5 注漿效果檢測(cè)

圖6 現(xiàn)場(chǎng)揭露陷落柱中的注漿體

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)常村煤礦S3-13工作面陷落柱等地質(zhì)問(wèn)題，通過(guò)三維地震解析及鉆孔對(duì)陷落柱aXn9影響區(qū)域進(jìn)行了精準(zhǔn)調(diào)查，陷落柱長(zhǎng)軸65.8m，短軸35.5m，導(dǎo)水性差。陷落柱東邊界距膠帶巷西幫6m，北邊界距切眼南幫246m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試，得出了陷落柱aXn9區(qū)域的地應(yīng)力的分布特征，確定了陷落柱的影響范圍。

(2)開發(fā)了用于提高漿液結(jié)石體粘結(jié)性能的添加劑(水泥改性液)，提高普通硅酸鹽水泥漿液與煤體粘結(jié)性較差的缺點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室錨桿拉拔對(duì)不同水灰比、不同改性液用量、不同凝固時(shí)間漿液粘結(jié)力進(jìn)行了試驗(yàn)，水泥漿水灰比0.7，水泥漿添加劑(粘結(jié)改性液)用量為水泥重量的15%左右，漿液結(jié)石體粘結(jié)效果最好。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)煤體裂隙中的漿體

(3) 根據(jù)S3-13工作面陷落柱不同位置煤巖體的破壞特征，確定采用分段后退式復(fù)合高壓注漿對(duì)陷落柱進(jìn)行預(yù)加固處理，水泥注漿壓力不小于25MPa，注漿壓力10～12MPa，注漿完畢后，采用現(xiàn)場(chǎng)開挖和地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)陷落柱附近煤巖體進(jìn)行了檢測(cè)，陷落柱影響區(qū)域圍巖完整，注漿效果較好。