超深孔分段注漿技術(shù)在破碎陷落柱加固中的應(yīng)用

張 晉

（山西晉煤集團趙莊二號井，山西 長治 046608）

我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，主要體現(xiàn)為地質(zhì)構(gòu)造廣泛發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造是影響礦井安全高效開采的重要因素，多數(shù)礦井災(zāi)害的發(fā)生均與地質(zhì)構(gòu)造的存在有關(guān)。陷落柱[1-3]是華北地區(qū)廣泛發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造，對工作面安全開采影響巨大，部分陷落柱內(nèi)部巖體破碎，極易引起煤壁片幫和冒頂，需對其進行治理，以保證工作面正?；夭?。

1 工程概況

趙莊二號井2307 工作面位于井田西翼盤區(qū)，工作面北側(cè)為2309 工作面（正在回采），西側(cè)為2103、2104 集中巷（已掘完），南側(cè)為實體煤，東側(cè)為2301、2303 工作面（已采完）。工作面走向長859.8 m（幫-幫），工作面傾斜長度為175.7 m（幫-幫）；工作面煤層底板標高+465～+495 m，地面高+958～+973 m。開采3#煤層，煤層厚3.8～5.1 m，平均厚4.35 m；煤層傾角為1°～5°，平均為2°。煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，厚度為10.78 m；基本頂為砂巖，厚度為11.81 m；直接底為泥質(zhì)粉砂巖，平均厚度為 4.05 m，平均抗壓強度30.2 MPa，平均抗拉強度1.0 MPa。根據(jù)物探和鉆探結(jié)果可知，2307 工作面內(nèi)部存在多個斷層和陷落柱，均為弱導(dǎo)水和弱富水，其中X44 陷落柱（長軸60 m，短軸42 m）內(nèi)部及煤巖交接處區(qū)域嚴重破碎，極其容易造成片幫、冒頂?shù)仁鹿?，影響工作面安全生產(chǎn)。

2 陷落柱加固方案

2.1 加固范圍

根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗，工作面在回采通過陷落柱時的主要問題有：（1）工作面在進出陷落柱時，由于煤巖交界處煤巖體破碎，極易出現(xiàn)煤壁片幫及冒頂；（2）工作面進出陷落柱后，由于陷落柱內(nèi)部為破碎膠結(jié)塊體，承載能力弱，煤壁易片幫，特別是在頂板和煤壁的交接處，煤壁片幫導(dǎo)致支架前方出現(xiàn)空頂，頂板破碎時出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。

因此，在平面投影范圍內(nèi)，需對陷落柱邊緣煤巖交界處進行加固，加固范圍擴大5 m，沿工作面推進方向的加固范圍為回采676～745 m 處共70 m，23071 巷幫往工作面里53 m，如圖1。為了保證工作面頂板和煤壁的穩(wěn)定，需對工作面頂板和煤壁同時進行加固，通過對煤壁注漿加固，提高煤體完整程度和承載能力，減小煤壁片幫量，可以有效減小漏頂?shù)陌l(fā)生概率；對頂板加固可提高頂板完整性、抗壓性，減少漏頂、冒頂，確保回采順利。

圖1 平面注漿加固范圍

2.2 加固方法

為了保證注漿加固效果，結(jié)合水泥漿注漿情況，陷落柱注漿加固采用鉆孔分段施工、分段注漿的施工工藝，每次鉆進20～30 m，根據(jù)鉆孔深度確定。

2.3 鉆孔布置

結(jié)合2307 工作面回采情況，確定本次陷落柱注漿加固鉆孔分上下兩排布置，上排鉆孔距23071巷底板2.5 m，下排鉆孔距23071 巷底板1.7 m，每排鉆孔的間距均為2 m，如圖2。先施工下排鉆孔，自遠離工作面?zhèn)乳_始編號，上下排孔各布置37 個，分單雙號布置。單號鉆孔水平施工，孔深53 m；雙號鉆孔按照仰角7°施工，孔深25 m。下排鉆孔施工完再施工上排鉆孔，均按照仰角3°施工，孔深53 m。鉆孔軌跡如圖3。

圖2 注漿鉆孔布置示意圖

圖3 陷落柱加固注漿鉆孔軌跡示意圖

上下排鉆孔均先采用113 mm 的鉆頭施工4 m，安裝2 m 長Ф108 mm 的孔口管，注漿固孔后，再采用89 mm 鉆孔施工。25 m 鉆孔為一次施工到位后注漿；53 m 鉆孔分兩次施工，首先施工30 m，并進行注漿加固，然后再掃孔并施工至設(shè)計深度53 m。其中上排鉆孔陷落柱邊緣區(qū)域，即上排孔的1～9#和28～37#鉆孔成孔后，安裝直徑為50 mm 的棚管，長度50 m，并進行注漿加固；其余鉆孔均安裝直徑為32 mm 的PVC 管，長度為52 m，并進行注漿加固。

2.4 注漿材料

本次注漿以純水泥漿為主，水泥為52.5 級，漿液水灰比可按2:1/1:1 依次進行，根據(jù)裂隙發(fā)育程度具體確定。注漿過程中出現(xiàn)漏漿等情況時，采用水泥—水玻璃雙液漿，水玻璃濃度為30～40 °Bé，模數(shù)為n=2.4～3.4，水泥漿和水玻璃體積比例為1:0.8～1:0.4，凝膠時間為1～3 min。

2.5 注漿壓力

根據(jù)以往注漿實踐經(jīng)驗，結(jié)合X44 陷落柱前期探測和注漿鉆孔施工揭露情況，確定終注壓力達到10～15 MPa，穩(wěn)壓12～30 min，泵量Q ≦30 L/min。

3 工程量及效果分析

3.1 工程量

本次注漿先施工下排鉆孔，再施工上排鉆孔。下排總計施工25 m 孔19 個，53 m 孔18 個，總進尺1429 m；上排鉆孔施工37 個，采用循環(huán)作業(yè)施工，總計進尺3441 m。上下排總計74 個鉆孔，共計消耗水泥60 t。

3.2 效果考察

2307 工作面回采通過X44 陷落柱期間，對陷落柱影響區(qū)煤壁片幫情況和頂板漏頂情況進行觀測分析，工作面揭露陷落柱位置與探測確定陷落柱影響區(qū)基本一致。距陷落柱約8 m，工作面煤壁有局部片幫情況，深度小于300 mm，頂板有輕微漏頂現(xiàn)象，通過加強工作面支架管理，能夠安全通過，不影響工作面安全回采。工作面進入注漿加固區(qū)后，直至通過陷落柱注漿加固區(qū)，工作面煤壁整體性良好，未出現(xiàn)大范圍片幫現(xiàn)象，僅出現(xiàn)個別小范圍片幫，最大片幫深度小于500 mm，范圍約2 架。在通過陷落柱期間，未出現(xiàn)明顯漏頂現(xiàn)象。試驗表明，通過深孔注漿能夠有效加固破碎煤巖體，棚管支護能夠起到加固工作面頂板的目的。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)探測顯示X44 陷落柱位置，確定陷落柱影響區(qū)水平方向和垂直方向的注漿加固范圍及加固方案。水平方向?qū)ο萋渲鶅蓚?cè)各5 m 范圍以及距巷幫側(cè)柱邊均進行加固，垂直方向采用上下兩排鉆孔，分別對工作面頂板和煤壁進行注漿加固。結(jié)合工作面進出陷落柱時煤巖破碎易冒頂?shù)膯栴}，采用棚管加強對頂板的控制。

（2）確定了陷落柱注漿加固鉆孔布置參數(shù)，采用水泥漿液進行現(xiàn)場注漿加固試驗。效果考察表明，通過分段注漿加固后，工作面通過陷落柱影響區(qū)期間，工作面煤壁平整，僅局部區(qū)域出現(xiàn)小范圍片幫現(xiàn)象，最大片幫深度500 m，頂板未出現(xiàn)明顯漏頂現(xiàn)象，實現(xiàn)了工作面安全過陷落柱。