煤峪口礦9#煤層副立井采空區(qū)治理技術(shù)研究

王灝宇

（同煤集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037003）

1 概述

大同煤業(yè)股份有限公司煤峪口礦隨著深部煤炭的開采，為滿足生產(chǎn)需要新建副立井。過9#煤層采空區(qū)建立的副井井深492 m，凈徑7 m，采空區(qū)穿越段壁厚800 mm。采空區(qū)對副立井的安全穩(wěn)定有著較大影響，可能使副立井出現(xiàn)井筒破壞、井筒透水、采空區(qū)有毒氣體進(jìn)入井筒等情況。為了保證副立井安全使用，煤峪口礦對9#副立井周邊采空區(qū)進(jìn)行有效治理。

2 采空區(qū)充填工藝

9#煤直接頂為灰色粉砂巖，厚2.30 m，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)；直接底為灰色粉砂巖，厚10.62 m，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。9#副立井附近采空區(qū)充填范圍如圖1 所示，充填治理范圍為9#副立井井壁采空區(qū)側(cè)30 m 的區(qū)域，治理面積為767 m2，充填體積為1656 m3。采空區(qū)充填工藝主要包括鉆孔布設(shè)、注漿、填充效果確認(rèn)等。

（1）鉆孔布設(shè)

治理區(qū)布置8 個(gè)灌漿鉆孔和1 個(gè)檢查孔，鉆孔的位置布置依照“分序次進(jìn)行，先外圈后內(nèi)圈”的原則進(jìn)行。結(jié)合9#煤層實(shí)際情況，使鉆孔分布覆蓋全部采空區(qū)擬治理區(qū)。鉆孔位置確定后，進(jìn)行鉆孔作業(yè)。首先根據(jù)確定的鉆孔位置，架設(shè)專業(yè)鉆孔機(jī)，按照施工技術(shù)要求進(jìn)行煤層打孔；然后將套管安裝于初成型的孔道中，注意套管的末端必須直達(dá)采空區(qū)，以便注漿工序能夠順利實(shí)施。9#煤層鉆孔布置如圖2 所示。

圖1 煤 峪口礦9#副立井附近采空區(qū)充填范圍圖示

鉆孔鉆至9#煤層采空區(qū)（或煤層）底板不小于1 m 終孔。開孔用直徑152 mm 的牙輪鉆頭或直徑146 mm 的巖心管，進(jìn)入基巖穩(wěn)定地段5 m 后，變徑為113 mm 或94 mm 鉆頭，鉆至設(shè)計(jì)孔深，然后下入Φ140 mm 孔口管，并用0.6:1 水泥漿液固管，水泥漿中添加早強(qiáng)劑。鉆孔結(jié)構(gòu)具體如圖3 所示。

圖2 煤峪口礦9#煤層鉆孔布置示意圖

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)圖

（2）注漿

本工藝采用的注漿漿液主要為水泥粉煤灰漿，組成原料分別為水泥、粉煤灰、水等。按照9#煤層采空區(qū)填充技術(shù)要求，進(jìn)行漿液的配比。根據(jù)采空區(qū)不同地質(zhì)條件組成，分別選取了水泥與粉煤灰比為4:6 和5:5 兩種配比。漿液并沒有固定的配比要求，需要根據(jù)地質(zhì)條件等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)確定，然后進(jìn)行施工。注漿工藝流程如圖4 所示。

圖4 注漿工藝流程圖

注漿采用套管口壓蓋止?jié){方式完成注漿工序，示意圖如圖5 所示。注漿時(shí)要根據(jù)注漿孔的布置，首先進(jìn)行最外部注漿，依次向內(nèi)。注漿時(shí)要嚴(yán)格控制注漿工藝參數(shù)，不能為了節(jié)約時(shí)間一次性向注漿孔內(nèi)注入該孔全部設(shè)計(jì)漿液量。因?yàn)橐淮涡宰{有很大概率使?jié){液在采空區(qū)大范圍擴(kuò)散，無法滿足填充效果要求。

圖5 套管口壓蓋注漿方式

注漿過程中漿液組成對填充效果有極大的影響。漿液的原料配合比例不同，制出漿液的物化性質(zhì)也是不同的。對填充漿液而言，自身固液性質(zhì)、注漿時(shí)的難易程度以及注漿完成后的抗壓能力等，都是需要特別關(guān)注的。因此，在注漿前，對漿液性質(zhì)的檢測就顯得尤為重要。漿液性能指標(biāo)測試方法如下：

① 比重。漿液的比重是漿液重要的物理屬性，影響著漿液的填充效果，因此必須對其進(jìn)行精準(zhǔn)測量。一般可以使用專業(yè)比重計(jì)來測定比重。

② 粘度。漿液的粘度是影響漿液入孔的重要參數(shù)，過高的粘度會(huì)出現(xiàn)漿液無法進(jìn)入鉆孔的現(xiàn)象，而粘度太低則使得填充后的采空區(qū)支撐力不夠，達(dá)不到填充效果。測量漿液的粘度可以采用專業(yè)的粘度計(jì)，也可以采用傳統(tǒng)的泥漿杯測量法進(jìn)行測量。

③ 結(jié)石體抗壓強(qiáng)度。用50 mm×50 mm×50 mm的模具使?jié){液成型，將成型后的結(jié)石體放在20 ℃左右的水中，測定漿液的結(jié)石抗壓強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)注漿量對于節(jié)約注漿原料、測算工程量以及選取注漿泵等都有重要的意義。9#煤層副立井附近采空區(qū)上層地質(zhì)結(jié)構(gòu)裂縫以及采空區(qū)體積等都是需要考慮的因素。另外由于該采空區(qū)存在時(shí)間較長，采空區(qū)巷道等已經(jīng)存在變形情況，因此在計(jì)算注漿量時(shí)需要添加系數(shù)進(jìn)行修正。注漿量采用下述公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Q 為采空區(qū)注漿量，m3；A 為漿液損耗系數(shù)，取1.4；V 為采空區(qū)剩余空洞體積，取1656 m3；η 為注漿充填率，取0.8；c 為漿液結(jié)石率，0.85。計(jì)算得Q=2182 m3（設(shè)計(jì)值）。

注漿時(shí)選擇的壓力范圍，對于最終的注漿效果和采空區(qū)填充效果有重要的影響。如果注漿壓力較低，則會(huì)存在采空區(qū)填充支撐力不夠，填充失去意義，而太高的注漿壓力則會(huì)影響副立井周邊穩(wěn)定。本案例將注漿壓力范圍保持在1～1.5 MPa。在剛開始注漿時(shí)，為了防止進(jìn)入采空區(qū)的漿液擴(kuò)散太快，壓力可以較低，當(dāng)注漿快完成時(shí)，注漿壓力可以適當(dāng)提高。當(dāng)注漿流量維持在低于60 L/min、15 min以上時(shí)，說明該孔注漿完成。

（3）填充效果

為了確認(rèn)注漿完成后采空區(qū)填充實(shí)際狀態(tài)，對采空區(qū)地表塌陷參數(shù)進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看出，9#副立井在附近采空區(qū)填充后，地表整體沉陷程度遠(yuǎn)小于未填充采空區(qū)，因此可以說明本技術(shù)完成的采空區(qū)治理具有明顯的效果。

3 填充施工難點(diǎn)

（1）鉆孔完成后開展的注漿流程，對工藝要求較為嚴(yán)格。注漿過程可能會(huì)出現(xiàn)一些工藝難點(diǎn)，如鉆孔損壞、注漿泵注漿壓力不合適以及串漿溢漿等，導(dǎo)致注漿工藝流程受阻。遇到類似問題時(shí)，需要及時(shí)處理，不斷監(jiān)控注漿質(zhì)量，保證漿液到達(dá)設(shè)計(jì)深度以及設(shè)計(jì)壓力，滿足采空區(qū)填充設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

（2）在向鉆孔進(jìn)行注漿時(shí)，如果出現(xiàn)了難以注入或者漿液溢出的現(xiàn)象，可以調(diào)低注漿泵的流速，適當(dāng)增大注漿泵的注入壓力。

（3）在向鉆孔進(jìn)行注漿時(shí)如果出現(xiàn)了串漿現(xiàn)象，即從一孔注入的漿液從另外一孔流出，如果漿液流出孔已經(jīng)具備注漿的可能，則應(yīng)該向該孔也進(jìn)行注漿操作，實(shí)現(xiàn)多孔注漿，如果流出孔不具備注漿的可能，則需要對該孔進(jìn)行堵塞，待該孔需要注漿時(shí)，視情況進(jìn)行擴(kuò)孔處理。

（4）由于漿液的凝固性質(zhì)，注漿工作一定要連續(xù)完成，如確實(shí)需要間歇作業(yè)，則需要在每次注漿后，對注漿孔進(jìn)行保養(yǎng)清理，保證注漿孔的通暢。

圖6 填充區(qū)與未填充區(qū)地表下沉量對比圖

4 結(jié)論

通過研究，采用注漿加固采空區(qū)工藝，實(shí)現(xiàn)了過采空區(qū)煤礦立井使用環(huán)境的安全穩(wěn)定，這給煤礦生產(chǎn)活動(dòng)中類似問題的解決提出了新的技術(shù)方案，有一定的推廣價(jià)值。本文主要形成以下結(jié)論：

（1）鉆孔注漿技術(shù)實(shí)現(xiàn)了過采空區(qū)副立井周邊環(huán)境的安全穩(wěn)定，保障了副立井的使用安全。

（2）鉆孔采用的分序次進(jìn)行、先外圈后內(nèi)圈的原則能夠最大程度降低采空區(qū)填充施工規(guī)模，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)填充穩(wěn)定。

（3）注漿過程中的漿液組成對填充效果有極大的影響，漿液組成比例需要根據(jù)采空區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件以及填充需求確定。