綜放工作面陷落柱區(qū)域注漿加固技術(shù)應(yīng)用研究

李小利

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號(hào)井，山西 長(zhǎng)治 046605）

1 概況

趙莊二號(hào)井2309 綜放工作面開(kāi)采3#煤，平均煤厚4.2 m，采用后退式放頂煤工藝，采煤高度2.8 m，放頂高度1.8 m。工作面沿走向布置23091 和23092兩條順槽。工作面走向長(zhǎng)度為1 465.6 m，傾向長(zhǎng)度為155.7 m，煤層平均傾角2°，為近水平煤層。直接頂為10.78 m 厚的粉砂質(zhì)泥巖，基本頂為11.81 m厚的砂巖，直接底為6.40 m 厚的泥質(zhì)粉砂巖，頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定，巷道支護(hù)簡(jiǎn)單。

2309 工作面3#煤層屬于穩(wěn)定可采煤層。根據(jù)2309 工作面槽波探測(cè)結(jié)果，結(jié)合鉆探發(fā)現(xiàn)，對(duì)工作面回采影響較大的地質(zhì)構(gòu)造主要是工作面中部的JDX16 陷落柱。由于三維勘探具有局限性，工作面可能存在隱蔽較小的褶皺或者斷層，可以在回采過(guò)程中進(jìn)行處理。而已知陷落柱的影響范圍較大，如果不對(duì)陷落柱區(qū)域進(jìn)行注漿加固，回采過(guò)程中當(dāng)工作面通過(guò)陷落柱區(qū)域時(shí)，由于該處煤巖體松軟、破碎，極易發(fā)生片幫甚至冒頂?shù)仁鹿蔥1-3]。因此需要對(duì)陷落柱區(qū)域圍巖裂隙發(fā)育程度分析，進(jìn)而制定合理的注漿加固方案，使工作面順利通過(guò)陷落柱區(qū)域。

2 陷落柱周邊圍巖裂隙發(fā)育模型

注漿加固需要根據(jù)煤體的裂隙發(fā)育形態(tài)和位置進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，必須了解陷落柱周邊圍巖的裂隙發(fā)育規(guī)律。因此，通過(guò)分析陷落柱的成因，建立陷落柱圍巖裂隙發(fā)育模型，如圖1。

圖1 陷落柱周邊圍巖裂隙模型

眾所周知，陷落柱主要是由于松散或者破碎巖體在重力作用下塌陷，并牽動(dòng)周?chē)后w或者圍巖彎曲下落，進(jìn)而形成的柱狀堆積體，并且往往發(fā)育深度在某一巖層內(nèi)部終止[4-5]。通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，根據(jù)陷落柱周?chē)鷩鷰r裂隙的發(fā)育程度，將陷落柱圍巖分為：陷落柱內(nèi)破碎巖石堆積區(qū)、陷落柱裂隙劇烈發(fā)育區(qū)、陷落柱外圍裂隙孕育區(qū)、原巖圍巖穩(wěn)定區(qū)。

（1）陷落柱內(nèi)破碎巖石堆積區(qū)。該區(qū)域主要是上覆巖層垮落的巖塊和一些伴生礦物堆積而成。巖石堆積松散，對(duì)陷落柱周?chē)鷰r石不會(huì)產(chǎn)生很大的壓力，同時(shí)，礦物和巖屑堆積無(wú)規(guī)律，內(nèi)部有較大的孔隙，有較強(qiáng)的導(dǎo)水性能。因而，如果此處裂隙水比較發(fā)育，堆積區(qū)內(nèi)部會(huì)有較大含量的自由水，會(huì)進(jìn)一步軟化該區(qū)域的巖石。由于裂隙極其發(fā)育，當(dāng)采用注漿加固時(shí)，漿液能夠較好地充斥陷落柱區(qū)域，保證注漿效果。

（2）陷落柱裂隙劇烈發(fā)育區(qū)。該區(qū)域的巖石在陷落柱塌陷時(shí)會(huì)受到強(qiáng)烈的干擾，會(huì)牽動(dòng)圍巖塌陷破碎。裂隙發(fā)育主要是在陷落柱形成過(guò)程，當(dāng)陷落柱穩(wěn)定時(shí)，該區(qū)域裂隙發(fā)育也趨于穩(wěn)定。裂隙發(fā)育的方向一般平行于陷落柱柱面的切線方向，傾角較大。在陷落柱長(zhǎng)期的影響下，附近圍巖松軟，破碎，孔隙較大。該區(qū)域有較強(qiáng)的可注性，是發(fā)生安全隱患的主要誘因，故而是注漿加固的重點(diǎn)區(qū)域。

（3）陷落柱外圍裂隙孕育區(qū)。該區(qū)域距離陷落柱較遠(yuǎn)，受到塌陷牽引效應(yīng)也會(huì)相應(yīng)降低，但巖體內(nèi)部仍會(huì)有一些破壞，圍巖不完整，存在微小的裂隙發(fā)育。因此在注漿加固時(shí)，也需要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)注漿封堵，以防止漏漿等現(xiàn)象。

（4）原巖產(chǎn)狀穩(wěn)定區(qū)。該區(qū)域一般離陷落柱較遠(yuǎn)，不會(huì)受到巖石塌落牽引的影響，巖石周?chē)鷳?yīng)力為原巖應(yīng)力，裂隙發(fā)育不明顯，保留原有的巖層產(chǎn)狀，有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。因此，注漿加固可以不考慮該區(qū)域。

根據(jù)陷落柱圍巖不同區(qū)域裂隙發(fā)育狀況，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)資料，制定有效的注漿加固方案，注漿加固的重點(diǎn)為陷落柱內(nèi)破碎巖石堆積區(qū)和陷落柱外圍裂隙劇烈發(fā)育區(qū)。

3 陷落柱注漿加固方案及效果考察

根據(jù)2309 工作面探查的資料來(lái)看，陷落柱將沿走向范圍長(zhǎng)度為 60 m，在工作面回采695 m 后揭露，在755 m 處結(jié)束；傾向影響范圍約為50 m，在機(jī)頭方向約45～95 m，在工作面中部，為工作面傾向長(zhǎng)度的1/3。

3.1 注漿鉆孔方案設(shè)計(jì)

根據(jù)陷落柱的范圍，計(jì)劃分別在23091 巷、23092 巷，對(duì)陷落柱60 m 和前后各10 m 范圍進(jìn)行注漿加固，注漿范圍共80 m，對(duì)應(yīng)回采進(jìn)度695～755 m。

巷道兩側(cè)各布置17 個(gè)深孔鉆孔，23091 巷一側(cè)孔深80 m，23092 巷一側(cè)孔深85 m。淺孔各82 個(gè)，孔深均為8 m。

23091 巷注漿加固的8 m 淺孔，布置方式為鉆孔上下兩排、矩形布置。上排孔開(kāi)孔高度距離底板2 m，鉆孔間距2 m，垂直于煤幫；下排孔開(kāi)孔高度距離底板1 m（可以根據(jù)皮帶高度適當(dāng)調(diào)整），鉆孔間距2 m，垂直于煤幫。共布置82 個(gè)鉆孔，孔徑均為42 mm。

深孔布置方式：考慮皮帶、搭架對(duì)開(kāi)孔高度影響，布置單排鉆孔，開(kāi)孔高度距離底板1.5 m，鉆孔間距5 m，孔徑Ф75 mm，共布置17 個(gè)鉆孔。鉆孔布置平面圖如圖2。

圖2 23091 巷淺孔鉆孔布置平面圖

特別注意的是，深孔1#～17#共17 個(gè)鉆孔，單數(shù)號(hào)鉆孔開(kāi)孔高度應(yīng)根據(jù)皮帶實(shí)際高度調(diào)整，盡可能低，仰角0°；雙數(shù)號(hào)鉆孔開(kāi)孔高度按照盡可能按照距離底板1.5 m 準(zhǔn)確執(zhí)行，不能低于1.5 m，但可以根據(jù)實(shí)際的條件適當(dāng)上調(diào)，以保證不影響設(shè)計(jì)的注漿加固區(qū)域和注漿效果。

23092 巷施工范圍與23091 巷道一致。8 m 淺孔布置方式與23091 巷布置方式完全相同。深孔布置方式為鉆孔上下兩排，上排孔開(kāi)孔高度距離底板2 m，鉆孔間距為10 m，孔徑為Ф75 mm；下排孔開(kāi)孔高度距離底板1 m，鉆孔間距10 m，孔徑為Ф75 mm。共布置17個(gè)鉆孔，鉆孔布置平面圖如圖3。

3.2 注漿材料介紹

淺孔注漿是為了加固陷落柱外圍裂隙孕育區(qū)和部分原巖穩(wěn)定區(qū)的裂隙，從而在增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性的情況下，也可以有防止漏漿的封孔的效果。根據(jù)需求，相應(yīng)的注漿材料性能要求主要表現(xiàn)為凝結(jié)時(shí)間短，強(qiáng)度增長(zhǎng)快，但強(qiáng)度不需要過(guò)高。因此，淺孔注漿采用聯(lián)邦雙液注漿材料，該材料為無(wú)機(jī)雙液組分，主要成分是水泥、生石灰、石膏等無(wú)污染的材料。該材料凝結(jié)時(shí)間短，一般3～5 min 即可初凝，10 min 左右終凝，水灰比為1:1 時(shí)，4 h 內(nèi)強(qiáng)度可達(dá)9～11 MPa，材料有較好的流動(dòng)性，擴(kuò)散半徑約5 m，適用于淺幫部注漿和深孔的封孔。

深孔注漿需要加固陷落柱破碎的堆積巖石和圍巖劇烈發(fā)育區(qū)域，因此注漿材料需要具備較高的強(qiáng)度，保證工作面揭露陷落柱過(guò)程中煤巖體有一個(gè)穩(wěn)定的賦存狀態(tài)。因此深孔注漿采用聯(lián)邦單液注漿材料，同樣是無(wú)機(jī)組分，無(wú)污染。選定注漿材料水灰比為0.6:1，材料在加水后半小時(shí)內(nèi)流動(dòng)性較好，擴(kuò)散半徑約6 m，攪拌后3 h 內(nèi)初凝，失去流動(dòng)性，10 h 左右終凝，強(qiáng)度開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，材料1 d 強(qiáng)度度可達(dá)到22.5 MPa，3 d 強(qiáng)度可達(dá)36.5 MPa，最終強(qiáng)度約為51.5 MPa。該材料特征適用于深孔注漿這樣需要遠(yuǎn)距輸送，并且圍巖完整性較差構(gòu)造帶的區(qū)域注漿。

圖3 23092 巷鉆孔布置平面圖

3.3 工程效果分析

注漿完成后，為了檢驗(yàn)注漿效果，在陷落柱構(gòu)造區(qū)的23091 巷和23092 巷兩幫各設(shè)計(jì)4 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)巷道圍巖變形來(lái)分析注漿加固的效果。觀測(cè)點(diǎn)布置如圖4。

從工作面距離測(cè)點(diǎn)60 m 時(shí)開(kāi)始觀測(cè)，到工作面前方0～5 m 觀測(cè)結(jié)束，統(tǒng)計(jì)兩幫變形量和頂?shù)装逡平俊?/p>

圖4 陷落柱加固區(qū)域表面位移測(cè)點(diǎn)布置

巷道變形觀測(cè)主要包括頂板下沉量和兩幫的移近量，將收集的數(shù)據(jù)整理后如圖5。

從圖5 可以看出，整體巷道變形量較小，頂板下沉量略大于兩幫移近量。兩條巷道的兩幫移近量均小于100 mm，巷道的頂板下沉量也在100 mm 以內(nèi)。同時(shí)，在工作面揭露陷落柱時(shí)，沒(méi)有明顯的片幫事故發(fā)生，表明注漿加固效果良好。

圖5 巷道圍巖變形特征

4 結(jié)論

（1）根據(jù)陷落柱的形成特點(diǎn)，將陷落柱圍巖分成陷落柱內(nèi)破碎巖石堆積區(qū)、陷落柱外圍裂隙劇烈發(fā)育區(qū)、陷落柱外圍裂隙孕育區(qū)和原巖圍巖穩(wěn)定區(qū)。

（2）根據(jù)陷落柱圍巖裂隙發(fā)育特征，設(shè)計(jì)淺、深孔結(jié)合的注漿加固方案，采用不同的注漿材料實(shí)施注漿，以此保證注漿加固的效果。

（3）通過(guò)對(duì)陷落柱區(qū)域內(nèi)巷道圍巖變形量觀測(cè)可知，巷道頂板下沉和兩幫移近量均在100 mm以內(nèi)，表明注漿有效加固了陷落柱區(qū)域的破碎圍巖，保證了工作面順利回采。