綜采工作面過陷落柱注漿加固技術(shù)應(yīng)用研究

吳佐偉

（山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 長治 046605）

1 工程概況

晉煤集團(tuán)趙莊礦1309 工作面回采3#煤，應(yīng)用一次采全高的綜合機(jī)械化采煤工藝，工作面走向長度為2753 m，傾向長度為219 m，煤層產(chǎn)狀穩(wěn)定，煤厚平均4.8 m，煤層傾角平均3°，為近水平煤層。工作面的直接頂為10.2 m 厚的砂質(zhì)泥巖，基本頂為6.1 m 厚的細(xì)粒砂巖，直接底為7.3 m 厚的砂質(zhì)泥巖，基本底為10.6 m 的粉砂巖。工作面的頂?shù)装寰琴|(zhì)地堅(jiān)硬的巖層，比較穩(wěn)定。工作面回采前，礦方通過槽波探測發(fā)現(xiàn)，在1309 工作面前方235 m 處有一處陷落柱，命名為JX97，完全覆蓋13091 巷道，并且在工作面煤體覆蓋最大深度近30 m，沿工作面的走向長約40 m。陷落柱形態(tài)位置如圖1。

圖1 陷落柱位置及形態(tài)示意圖

2 注漿加固方案設(shè)計(jì)

注漿加固是一種常用的提高破碎煤巖體強(qiáng)度的方式。當(dāng)連續(xù)介質(zhì)中存在發(fā)育的裂隙時(shí)，在煤體承載過程中，會(huì)有較強(qiáng)的應(yīng)力集中，在裂隙的端部最大[1-3]。注漿后，漿液能將裂隙填滿，并且因?yàn)闈{液可以將無法充填到的細(xì)小裂隙壓密，會(huì)使煤體裂隙端部的應(yīng)力集中減弱。此外，當(dāng)陷落柱內(nèi)部破碎時(shí)，就會(huì)由三向應(yīng)力轉(zhuǎn)化為兩向應(yīng)力，而注漿加固后能使煤體重新轉(zhuǎn)換為三向受力狀態(tài)從而增大破碎煤體塑性，進(jìn)而增強(qiáng)煤體的強(qiáng)度[4-5]。因此根據(jù)地質(zhì)條件設(shè)計(jì)合理的注漿加固方案能有效解決工作面過陷落柱的問題。

注漿加固的時(shí)機(jī)選擇在工作面臨近陷落柱時(shí)，加固范圍是陷落柱走向前后各20 m，共80 m 范圍。由于考慮采動(dòng)影響對陷落柱產(chǎn)生擾動(dòng)會(huì)使煤壁部分更破碎，計(jì)劃首先實(shí)施淺孔注漿加固端頭防止煤壁裂隙及錨索孔等形成漏漿通道，其次采用中深孔注漿的方式加固采煤機(jī)端頭部分煤體，最后實(shí)施深孔注漿，提高陷落柱內(nèi)部煤體的完整性。

2.1 注漿鉆孔布置

（1）淺部注漿孔設(shè)計(jì)。淺孔注漿主要是加固工作面沿走向進(jìn)出陷落柱的前后15 m 范圍，共計(jì)70 m。注漿孔深設(shè)計(jì)為6～8 m，鉆孔平行布置，間距為2.4 m，上下兩排鉆孔相距80 cm，上排鉆孔距離頂板1.3 m，下排鉆孔距離底板1.8 m，注漿孔垂直于煤壁。淺部注漿鉆孔布置如圖2。

圖2 淺部注漿鉆孔布置圖

（2）中深部注漿孔設(shè)計(jì)。中深注漿鉆孔的施工范圍與淺孔注漿的范圍一致，同樣為70 m。鉆孔沿著巷道幫部中線設(shè)計(jì)一排，距離頂?shù)装寰鶠?.2 m，鉆孔直徑選用94 mm，鉆孔深度為20 m，鉆孔角度6.5°，鉆孔間距為3.6 m。

（3）深部注漿孔設(shè)計(jì)。深部注漿鉆孔的施工范圍是沿著工作面的走向，距離切眼215～295 m 的范圍，即前后進(jìn)出陷落柱各20 m，一共長約80 m。同樣沿著巷幫中線布置一排，與中深部鉆孔交叉布置，鉆孔直徑與中深部注漿鉆孔一致，鉆孔間距同樣為3.6 m，鉆孔的深度為50 m，鉆孔角度為4.5°。深部注漿鉆孔布置示意圖如圖3。

2.2 注漿材料選擇及性能分析

根據(jù)設(shè)計(jì)注漿方案，需要選取相應(yīng)的注漿材料。淺部注漿需要漿液快速凝結(jié)，深部注漿需要提高陷落柱內(nèi)部的煤體完整性，提高其承載能力，因此注漿需要具備快速凝結(jié)、強(qiáng)度增長速度快、最終強(qiáng)度高等特點(diǎn)。根據(jù)需求，計(jì)劃選擇固邦注漿材料，該材料是單一無機(jī)組分，不會(huì)影響煤質(zhì)，并且流動(dòng)性強(qiáng)，結(jié)實(shí)率高，有較好的應(yīng)用效果。

圖3 深部注漿鉆孔布置圖

圖4 注漿材料抗壓強(qiáng)度增長特征

抗壓強(qiáng)度是評價(jià)注漿材料性能的重要參考指標(biāo)。因此，選擇注漿材料水灰比為0.6:1，澆筑在70 mm 見方的模具中，脫模后放入標(biāo)準(zhǔn)水泥試樣養(yǎng)護(hù)箱中，在溫度20 ℃、相對濕度大于95%條件下，養(yǎng)護(hù)不同齡期分別為1 d、3 d、7 d 后，在DYE-300液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上測試其抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí)首先要保證試樣的端部以及壓力機(jī)的壓頭平整，加載模式選擇固定載荷控制，按照0.3～0.5 MPa 的加載速率，試樣破壞卸載后立即關(guān)閉進(jìn)液閥，停止加載。每種齡期各進(jìn)行三次試驗(yàn)，取試樣相應(yīng)強(qiáng)度的平均值，并繪制注漿材料強(qiáng)度增長曲線，如圖4。

由圖4 可知，注漿材料1 d 的抗壓強(qiáng)度約為18.5 MPa，初期強(qiáng)度增長較快；3 d 的抗壓強(qiáng)度為28 MPa，單軸抗壓強(qiáng)度增長速率降低；在養(yǎng)護(hù)7 d后試樣的抗壓強(qiáng)度約為32 MPa。由此可見，0.6 水灰比的注漿材料能滿足三種注漿孔類型的注漿加固需求。

為了盡量降低成本，在三次注漿加固時(shí)，淺部、中深部和深部采用不同水灰比的注漿材料。由于陷落柱的深部裂隙比較發(fā)育，需要強(qiáng)度較高的注漿材料，因此水灰比選擇0.6:1；淺部的注漿主要為了封鎖漏漿通道，因此需要短的凝結(jié)時(shí)間，但強(qiáng)度需求不高，因此選擇0.8:1 材料水灰比；中深部主要填補(bǔ)較小的裂隙，需要較高的流動(dòng)性，因此選擇1.2:1的注漿水灰比。

3 現(xiàn)場施工及效果檢驗(yàn)

采用液壓注漿泵，注漿壓力范圍為0～35 MPa，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)，液壓泵的最大流量為210 L/min，泵上安裝有進(jìn)水閥，只需人工上料，通過調(diào)整水的流量大小就可以嚴(yán)格控制水灰比。注漿系統(tǒng)配備氣動(dòng)攪拌桶，根據(jù)注漿量的需求調(diào)節(jié)個(gè)數(shù)，加上相應(yīng)的管路和混合器組成，注漿系統(tǒng)整體簡易，移動(dòng)便捷。

注漿壓力的設(shè)定根據(jù)注漿的孔深，中深孔設(shè)計(jì)為10～15 MPa，深孔注漿壓力保持在25 MPa 左右。注漿量沒有具體的規(guī)定，施工過程中，在液壓泵無法泵送，當(dāng)達(dá)到最大注漿壓力或者出現(xiàn)嚴(yán)重的漏漿現(xiàn)象時(shí)，暫停注漿，清理注漿管道。

圖5 注漿鉆孔窺視圖像

注漿結(jié)束后為了檢驗(yàn)注漿效果，通過鉆孔窺視，觀察深孔25 m 和40 m 處的煤體。窺視圖像如圖5。根據(jù)圖像可知，深孔注漿效果良好，不同深度位置的孔內(nèi)孔壁光滑，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂隙發(fā)育，原生裂隙均被漿液充滿，漿液與煤體的固結(jié)效果良好，煤體的整體性得到提升。

同時(shí)通過對比沒有陷落柱區(qū)域與注漿加固區(qū)域巷道變形量發(fā)現(xiàn)，陷落柱注漿加固區(qū)域巷道變形量比正?；夭蓵r(shí)巷道變形量減小。

正常回采區(qū)域巷道圍巖最大頂板下沉量約為280 mm，兩幫移近量約為160 mm，并且在回采過程中有局部片幫現(xiàn)象；而經(jīng)過注漿加固的區(qū)域，巷道最大頂板下沉量為300 mm，兩幫移近量減小至90 mm，工作面推過陷落柱區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)明顯的片幫現(xiàn)象。鉆孔窺視和巷道變形觀測結(jié)果表明，注漿材料的水灰比選擇合理，煤體加固效果良好。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)陷落柱的形態(tài)和1309 工作面的地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了淺、中深、深部分次聯(lián)合的注漿加固方案。

（2）試驗(yàn)測試了注漿材料性能，分析了注漿材料的抗壓強(qiáng)度增長特征，并根據(jù)注漿需求選擇不同，將淺孔水灰比設(shè)計(jì)為0.8:1，中深孔注漿水灰比為1.2:1，深部注漿材料水灰比為0.6:1。

（3）通過鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)，漿液能較好地充填煤體裂隙，煤體整體穩(wěn)定性提高。注漿前后巷道穩(wěn)定性提高，巷道變形量減小，工作面順利通過陷落柱區(qū)域。