新元礦9104工作面過陷落柱注漿加固技術(shù)應(yīng)用研究

王明明

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

山西新元煤炭有限責(zé)任公司所屬9104綜采工作面地表位于韓莊村以北，清平鎮(zhèn)以東，南燕竹以南，冀家垴村西的黃土塬、黃土峁及溝谷地帶。井下北鄰9#南回風(fēng)大巷、9#輔運(yùn)大巷，東鄰9103回風(fēng)巷，上部為3#煤3204綜采工作面（已采完）、3205綜采工作面（已采完），其他方向均未布置巷道。

受區(qū)域構(gòu)造影響，井田總體為一走向近WE、傾向S的單斜構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上發(fā)育次一級(jí)的寬緩褶曲構(gòu)造，地層傾角較平緩，傾角2°～9°。相對(duì)全井田而言井田中部地層較陡，井田內(nèi)褶曲、斷層以及陷落柱較發(fā)育，井田內(nèi)褶曲屬寬緩型褶曲，斷層較少，并且規(guī)模較小。經(jīng)過上覆的3#煤層的開采發(fā)現(xiàn)斷層基本上不影響采區(qū)的劃分及工作面的推進(jìn)，而陷落柱在采區(qū)內(nèi)成群出現(xiàn)，在開采設(shè)計(jì)階段造成了一定程度的影響。3#煤層開采過程中，陷落柱導(dǎo)致煤巖體破碎嚴(yán)重，并且常有地下水導(dǎo)出，在生產(chǎn)過程中必須密切關(guān)注陷落柱的威脅[1]。9104綜采工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中揭露一處陷落柱，陷落柱區(qū)域內(nèi)煤巖體破碎嚴(yán)重，并且巷道底板處有大量的地下水涌入掘進(jìn)工作面，經(jīng)過長時(shí)間的抽排才能進(jìn)行正常的巷道掘進(jìn)工作?，F(xiàn)在9104工作面即將進(jìn)入回采階段，需對(duì)工作面范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測及治理。

2 工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造情況探測

（1）觀測點(diǎn)與發(fā)射點(diǎn)工程布置

此次對(duì)工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測，儀器選用WKT-E型無線電波坑道透視儀。在9104工作面的回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽內(nèi)分別布置發(fā)射點(diǎn)、接收點(diǎn)，具體的布設(shè)情況如圖1所示。發(fā)射點(diǎn)間距為50.0m，一個(gè)發(fā)射點(diǎn)對(duì)應(yīng)10個(gè)接收點(diǎn)，接收點(diǎn)在另一側(cè)的巷道內(nèi)，間距10.0m。發(fā)射點(diǎn)發(fā)出電磁波在不同的接收點(diǎn)進(jìn)行接收，形成一個(gè)扇形區(qū)域，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電磁波有異常時(shí)，可適當(dāng)?shù)卦黾咏邮拯c(diǎn)的個(gè)數(shù)，一個(gè)個(gè)相互交叉的扇形區(qū)域最終完全覆蓋整個(gè)工作面區(qū)域。9014綜采工作面長度為230m，推進(jìn)長度為1330m，在兩條巷道內(nèi)一共布置56個(gè)發(fā)射點(diǎn)，588個(gè)接收點(diǎn)。

（2）探測的結(jié)果分析

經(jīng)過對(duì)探測信息的解釋，得到的結(jié)果為：工作面存在揭露陷落柱X2，預(yù)測陷落柱X1、X3、X4。其中，陷落柱X2長軸預(yù)計(jì)127m左右，不排除是多個(gè)陷落柱疊加而成，周圍可能存在承壓水聚集區(qū)，對(duì)回采有極大影響；預(yù)測陷落柱X1長軸預(yù)計(jì)31m左右，周圍可能存在承壓水聚集區(qū)，對(duì)回采有一定影響；預(yù)測陷落柱X3長軸預(yù)計(jì)49m左右，周圍可能存在承壓水聚集區(qū)，對(duì)回采有較大影響；預(yù)測陷落柱X4長軸預(yù)計(jì)121m左右，不排除是多個(gè)陷落柱疊加而成，陷落柱內(nèi)松散的巖塊裂隙內(nèi)，很可能匯集了大量的地下水，嚴(yán)重影響工作面的回采；預(yù)測斷層F1斷距小于1/2煤厚，周圍瓦斯含量可能高，對(duì)回采有一定影響；預(yù)測斷層F2斷距小于1/2煤厚，局部斷距可能接近1/2煤厚，周圍瓦斯含量可能高，對(duì)回采有一定影響。由于斷層規(guī)模較小，在回采階段不需要特殊處理。此外，工作面開采范圍內(nèi)還可能存在其他小型構(gòu)造，對(duì)回采影響不大。

（3）井下鉆孔探放水

為了進(jìn)一步確認(rèn)距離工作面開切眼最近處X2陷落柱具體的發(fā)育情況及含水性，參考以上工作面范圍內(nèi)陷落柱的無線電波坑道透的結(jié)果，在回風(fēng)順槽內(nèi)通過鉆孔對(duì)X2陷落柱進(jìn)行探放水。鉆場設(shè)計(jì)在距離切巷40m處，一共布置4組鉆孔進(jìn)行探測，由于篇幅有限，列出第一組鉆孔的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。每組為5個(gè)探測孔，鉆孔長度均為50m，傾角及方位角的變化使其成扇形布置[2]。

表1 鉆孔參數(shù)特征表

經(jīng)過4輪的探測，確認(rèn)X2陷落柱長軸長度為98m，短軸長度為34m，傾斜向上的探測孔內(nèi)涌水量較少，向下的鉆孔內(nèi)涌水量較大。根據(jù)9#煤層頂?shù)装鍘r性，推測陷落柱內(nèi)主要充水水源來自底板下部的奧灰水。經(jīng)過對(duì)新元礦9104工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的探測，以及回風(fēng)順槽揭露的陷落柱處的地質(zhì)狀況，推測工作面推進(jìn)過程中，由于采動(dòng)的影響，造成煤層頂?shù)装迤茐纳疃容^大。在陷落柱附近時(shí)，底板的破壞可能與陷落柱破碎區(qū)域?qū)?，形成較大的導(dǎo)水裂隙，存在著涌水事故的風(fēng)險(xiǎn)，需要提前對(duì)陷落柱區(qū)域的煤巖體進(jìn)行注漿加固。

3 注漿加固技術(shù)工藝

（1）注漿材料

高水速凝材料[3]是一種在水灰比較高的情況下快速凝固的特種水泥混合物。這類材料用水量較大，但是比較節(jié)約材料，將其分為甲、乙兩個(gè)部分，分別加水?dāng)嚢栊纬蓾{液，并且不易凝固，但是甲乙混合后會(huì)迅速凝固?？紤]到這種特性選用雙液注漿系統(tǒng)注漿，使?jié){液在注漿位置進(jìn)行混合，在圍巖內(nèi)迅速凝結(jié)，固化圍巖?？紤]到漿液固結(jié)強(qiáng)度及材料消耗等因素，選擇注漿材料水灰比1.5:1。由于陷落柱周圍的煤巖體破碎非常嚴(yán)重，裂隙發(fā)育較好，注漿孔深度的提高及圍巖裂隙發(fā)育較好，決定選用較小的注漿壓力，壓力均為4MPa左右。

（2）注漿孔布置

根據(jù)探測的結(jié)果，由于陷落柱X2靠近回風(fēng)順槽這一側(cè)，并且影響范圍較大，設(shè)計(jì)布置6個(gè)注漿孔進(jìn)行注漿加固。注漿孔的布置要使?jié){液更多、更均勻地滲透到破碎圍巖內(nèi)，參考相似礦井工作面注漿加固的鉆孔布置方式，回風(fēng)順槽實(shí)體煤側(cè)超前注漿時(shí)注漿孔的布置如圖2。注漿孔間排距為3m，水平方向鉆進(jìn)，鉆孔深度10m。

圖2 注漿孔布置示意圖

（3）注漿量估算及注漿管設(shè)計(jì)

根據(jù)陷落柱附近煤巖體的裂隙發(fā)育情況以及漿液柱形擴(kuò)散理論對(duì)單孔注漿量進(jìn)行估算：

式中：

R—漿液擴(kuò)散半徑，m；

L—注漿孔深度，m；

n—圍巖裂隙率，根據(jù)軌道巷揭露的陷落柱位置，圍巖體破碎情況n值為0.09；

α—圍巖充填系數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況取0.6；

β—漿液消耗系數(shù)，1.1～1.2。

根據(jù)9104工作面的地質(zhì)狀況計(jì)算結(jié)果為：56.3m3。實(shí)際注漿過程中，基本上每個(gè)注漿孔的注漿量都大于理論計(jì)算值，注漿管的形狀是影響注漿效果的一個(gè)極為關(guān)鍵的因素，根據(jù)陷落柱距離巷道的位置，設(shè)計(jì)采用如圖3所示的注漿管進(jìn)行注漿。

圖3 注漿管結(jié)構(gòu)示意圖

（4）施工工藝

在回風(fēng)順槽煤壁側(cè)對(duì)X2陷落柱進(jìn)行注漿加固，按照注漿孔的實(shí)際長度插入注漿管，從注漿孔底到孔口一次進(jìn)行高壓封孔注漿。由于注漿管在煤體內(nèi)會(huì)影響回采工作面采煤機(jī)的破煤，因此單孔注漿完畢后應(yīng)將注漿管抽出進(jìn)行封孔。

① 打孔。按照設(shè)計(jì)的鉆孔直徑、長度等參數(shù)，一次打設(shè)注漿鉆孔全長。

② 封孔。目前常采用的封孔工藝有：水泥砂漿封孔和自動(dòng)封孔器封孔。由于封孔器對(duì)于注水鉆孔的成孔質(zhì)量有很高的要求，如孔壁平滑、孔內(nèi)沒有粉塵等，這導(dǎo)致封孔的質(zhì)量嚴(yán)重受限，因此選擇封孔泵注水泥砂漿封孔。

③ 注漿。各個(gè)注漿孔成孔后，逐個(gè)進(jìn)行封孔。預(yù)先進(jìn)行上部一排的注漿，注漿時(shí)通過下部孔內(nèi)的涌水量來評(píng)估注漿的效果。當(dāng)上部三個(gè)注漿孔注漿完畢后，如果下部注漿孔已經(jīng)沒有水涌出，即暫停注漿，根據(jù)工作面推進(jìn)至陷落柱附近時(shí)的涌水情況再?zèng)Q定第二輪注漿是否需要進(jìn)行。

4 工作面涌水量觀測

為了考察超前注漿對(duì)于陷落柱的底板水害的治理效果，定期對(duì)回采過程中工作面內(nèi)地下水的日涌出量進(jìn)行觀測、統(tǒng)計(jì)，得到的數(shù)據(jù)整理得結(jié)果如圖4 所示。由圖可知，隨著工作面向陷落柱X2的推進(jìn)，工作面內(nèi)底板的出水量逐漸增加。當(dāng)工作面進(jìn)入到陷落柱區(qū)域內(nèi)，涌水量維持在42m3/h，在工作面正常的排水能力范圍內(nèi)。即取得了較好的治理效果。

圖4 涌水量觀測結(jié)果圖

5 結(jié)論

（1）運(yùn)用WKT-E型無線電波坑道透視儀及在回風(fēng)順槽內(nèi)對(duì)X2陷落柱的探放水，對(duì)9104回采工作面區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育情況進(jìn)行預(yù)測，確定工作面X2的發(fā)育情況及含水性，為后期的生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）由于陷落柱的影響，使煤層中產(chǎn)生大量裂隙，煤巖體破碎嚴(yán)重，且工作面冒頂將會(huì)嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)。通過在回風(fēng)順槽內(nèi)進(jìn)行陷落柱超前注漿加固，提高了煤巖體的彈性模量和整體強(qiáng)度。在工作面推進(jìn)至該區(qū)域時(shí)，將地下水的涌出量控制在42m3/h，消除了陷落柱內(nèi)承壓水對(duì)工作面底板造成的危害。在加固后的工作面回采過程中頂?shù)装鍑鷰r的完整性也得到了提高，整體來說取得了很好的治理效果。