王莊煤礦工作面過陷落柱注漿加固技術(shù)研究

申李華

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046032)

巖溶陷落柱在潞安礦區(qū)普遍發(fā)育，并且其孤立存在、隱蔽性強(qiáng)、空間形態(tài)不規(guī)則。由于陷落柱周圍形成塑性破壞區(qū)，圍巖不穩(wěn)定，工作面直接通過陷落柱存在冒頂?shù)奈ｋU，工作面搬家將嚴(yán)重影響生產(chǎn)，制約著煤炭安全高效開采[1-2]。目前，工作面直接過陷落柱主要采用注漿控制其周圍破碎圍巖穩(wěn)定，其中注漿孔的布置方案是關(guān)鍵因素。注漿孔的布置需要根據(jù)陷落柱周圍塑性破壞區(qū)范圍確定。近年我國學(xué)者在陷落柱破壞范圍及其穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了研究[3-7]，并取得了一定的研究成果，為王莊煤礦陷落柱注漿方案設(shè)計提供了重要指導(dǎo)。本文針對王莊煤礦9105工作面開采過程中要過H49陷落柱和H50陷落柱，根據(jù)陷落柱周圍破碎區(qū)的范圍提出了注漿加固方案，并進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，有效控制了陷落柱圍巖穩(wěn)定性，工作面安全通過兩個陷落柱。

1 工程背景

1) 9105工作面陷落柱產(chǎn)狀及參數(shù)。王莊煤礦9105工作面H49陷落柱和H50陷落柱產(chǎn)狀如圖1所示。H49陷落柱和H50陷落柱不規(guī)則，H49陷落柱長軸約為100 m，短軸約為80 m，H50陷落柱長軸約為55 m，短軸約為30 m。

圖1 9105工作面H49陷落柱和H50陷落柱產(chǎn)狀平面圖

2) 9105工作面鉆探陷落柱突水隱患。鉆孔接近陷落柱邊緣，孔內(nèi)涌水時，攜帶破碎的巖石塊的顆粒涌出，由小逐步增大，初始涌水量達(dá)到50 m3/h，孔內(nèi)涌渣3～5 m3/h，涌渣隨著時間的推移增大至15～25 m3/h。少數(shù)鉆孔探陷落柱由于陷落柱內(nèi)的空隙度較大，揭露陷落柱時直接發(fā)生突水事故。工作面回采揭露陷落柱突水大小根據(jù)揭露的圍巖面積及陷落柱內(nèi)的破碎巖膠結(jié)程度密切關(guān)聯(lián)，突水的大小與揭露處的壓差，水源補(bǔ)給通道，區(qū)域性的富水強(qiáng)弱水位導(dǎo)高，水文地質(zhì)條件，涌水通道擴(kuò)充環(huán)境順暢情況等綜合因素息息相關(guān)。

2 陷落柱周圍塑性破壞區(qū)范圍理論分析

為能夠計算出其解析精確解，將王莊煤礦H49陷落柱和H50陷落柱看作一個僅受自重的圓柱體，則在距陷落柱頂Δh位置的應(yīng)力為：

σr=σθ=λγΔh
σz=γΔh

(1)

式中:σr、σθ、σz分別為徑向、切向、垂直應(yīng)力，MPa；γ為巖石容重，KN/m3；λ為側(cè)壓系數(shù)。

取陷落柱任意水平截面，這樣轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問題，如圖2所示。

圖2 陷落柱周圍破壞區(qū)半徑力學(xué)模型圖

假設(shè)水平方向應(yīng)力相等，由Hoek-Brown準(zhǔn)則可知，徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σθ滿足平衡方程[8]：

(2)

(3)

聯(lián)立公式(2)、(3)解得：

σr=mσc(lnr+C1)2/4-sσc/m

(4)

式中：m為巖石軟硬程度；s為巖石完整程度；σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

將邊界條件：r=r0,σr=λγΔh，帶入公式(2)、(4)，得徑向、切向應(yīng)力的表達(dá)式：

(5)

(6)

在塑性區(qū)外邊界上徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σθ滿足方程：

σr+σθ=2σ0

(7)

式中：σ0為埋深H的原巖應(yīng)力，MPa，σ0=γH。

將公式(5)、(6)代入公式(7)計算得陷落柱塑性區(qū)半徑R0：

R0=r0eα

(8)

其中：

c=(24λγΔh-8σ0)/mσc+(16s-m2)/m2

d=(16λγΔh-16σ0-4mσc)/mσc

f=c2-3bd+12i

g=-b3+4bc-8d

i=(4λγΔh-4σ0)/mσc-4s/m2

l=2c2-9bcd+27d2-72ci

根據(jù)王莊煤礦9105工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，將各項參數(shù)代入公式(8)得，H49陷落柱周圍破碎區(qū)的范圍大約為22 m，H50陷落柱周圍破碎區(qū)的范圍大約為15 m。這將為現(xiàn)場注漿方案設(shè)計和注漿鉆孔布置提供重要的理論依據(jù)。

3 陷落柱現(xiàn)場注漿工藝方案

3.1 注漿區(qū)域確定

底板控制深度55 m，頂板控制深度40 m，H49陷落柱周圈外控制不低于22 m，H50陷落柱周圈外控制不低于15 m；底板孔逐步段落性向深部延伸；施工中鉆孔鉆探后隨時進(jìn)行注漿加固。

3.2 注漿加固方案

注漿加固要達(dá)到預(yù)期效果，必須兩部鉆機(jī)同時交叉進(jìn)行打鉆注漿。原則上施工一孔注一孔，如經(jīng)初步探查孔做壓水、壓漿聯(lián)通試驗相互無影響，可以邊打孔邊注漿或同時出現(xiàn)兩個及多個注漿孔同步注漿，每個鉆孔施工中出現(xiàn)5 m3/h水量以上的，起初鉆具隨時注漿，反復(fù)透孔注漿均達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。在施工過程中，在安全條件允許下適當(dāng)調(diào)整注漿壓力。終孔進(jìn)入陷落柱邊緣內(nèi)以充填置換模式注漿，控制區(qū)段長均要根據(jù)注漿擴(kuò)散影響半徑效果及時調(diào)整。如出現(xiàn)廢孔在其位置周邊必須補(bǔ)打孔，禁止出現(xiàn)缺失鉆孔，要求打一孔注一孔，均穩(wěn)定壓力3.58～5.61 MPa，穩(wěn)壓時間均為30 min。如孔距相互不影響的情況下可以邊打邊注，結(jié)合承壓變化情況靈活掌握。

當(dāng)達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時，最后再向孔內(nèi)壓一定的清水，將管路清洗干凈，關(guān)閉注漿孔閥門，8 h后可打開閥門，觀測孔內(nèi)是否還有涌水。9105工作面風(fēng)巷H49陷落柱和H50陷落柱采用納米基注漿材料的具體施工加固方案如圖3和圖4所示，具體鉆孔參數(shù)見表1和表2。

表2 H50陷落柱注漿孔參數(shù)

圖3 H49陷落柱注漿鉆孔平面圖和剖面圖(mm)

圖4 H50陷落柱注漿鉆孔平面圖和剖面圖(mm)

表1 H49陷落柱注漿孔參數(shù) m

3.3 施工質(zhì)量要求

3.3.1 鉆孔工藝

1) 開孔徑D113 mm鉆至預(yù)定位置，下入一級套管至孔底，壁后灌入充填水泥和速凝劑材料，凝固時間達(dá)到要求后，透孔至孔底，孔口安裝測壓系統(tǒng)，孔口壓力要分別大于預(yù)測壓力的2～3倍即3.58～5.61 MPa，穩(wěn)壓時間超過30 min，試驗周邊無卸漏水，壓力穩(wěn)定合格后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

2) 如需下二級控水管鉆孔二開換徑D94 mm鉆至預(yù)定位置，下入二級D89 mm控水管翻漿固管達(dá)到要求后透孔做耐壓試驗，孔口壓力要分別大于水壓的2～3倍即3.58～5.61 MPa，穩(wěn)壓時間超過30 min，試驗合格后方可換徑D75 mm繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔。

3) 鉆至終孔位置透水過程中，嚴(yán)禁大量放水，必須及時注漿封堵。

4) 套管的長度結(jié)合實際地質(zhì)水文條件而定，套管測試壓力均要根據(jù)套管長度合理而定；套管連接頭必須使用專用密封膠均勻涂抹絲扣，嚴(yán)防泄露。

5) 鉆進(jìn)時給壓均勻，速度壓力根據(jù)巖性合理選定。

6) 鉆頭優(yōu)選現(xiàn)代較先進(jìn)的復(fù)合片鉆頭、孕鑲鉆頭等；每種規(guī)格要有3～5個鉆頭相互交替使用直至任務(wù)完成，每次更換鉆頭前禁止出現(xiàn)錐形鉆孔段，換徑時必須有導(dǎo)向設(shè)施。

7) 未到放水位置前安裝好套管及孔口防噴裝置，嚴(yán)防遇大水時造成不必要的影響。

3.3.2 控水套管試耐壓

1) 一級套管規(guī)格D108 mm長度10 m，灌注漿后凝固時間達(dá)要求，掃孔入底，鉆進(jìn)0.5～1 m，方可做耐壓試驗。

2) 安裝孔口套管法蘭盤和測壓裝置(包括測壓盤、安全三通或四通，分水閥門，壓力表，注水連接口)或用泥漿泵綜合觀測；壓力表按測值標(biāo)準(zhǔn)使用，要大于施工壓力的1/3。

3) 與泥漿泵連接好后打開分水卸壓閥門，啟動泥漿泵最低檔位視水量穩(wěn)定時方可開始緩慢關(guān)小分水口的出水量；當(dāng)分水量逐漸變小水壓逐步上升至大于3.58～5.61 MPa穩(wěn)定時，停止分水控制閥。

4) 穩(wěn)定壓力時間不少于30 min。

5) 套管未出現(xiàn)位移，無滲漏，周邊底板未出現(xiàn)新涌水點，無底鼓、幫鼓、冒頂現(xiàn)象，壓力穩(wěn)定，為合格。

6) 二級套管程序基本同上，測試壓力為3.58～5.61 MPa，均按注漿方案要求實施，根據(jù)實際情況及時調(diào)整。

4 陷落柱注漿控制效果及建議

4.1 現(xiàn)場注漿效果

9105工作面風(fēng)巷H49陷落柱煤層頂、底板注漿加固施工25個孔，鉆探進(jìn)尺2 035 m，下套管381 m，固管水泥13.45 t，速凝劑266.2 kg，注納米基水泥196.7 t，注漿壓力均大于4 MPa。在9105工作面運巷H50陷落柱煤層頂、底板注漿加固工程施工31個鉆孔，鉆探進(jìn)尺2 020 m，套管總長度為465 m，使用納米基水泥211.2 t。通過現(xiàn)場注漿施工，9105工作面安全通過H49陷落柱和H50陷落柱，沒有發(fā)生冒頂、片幫和壓架等安全事故。同時避免了工作面搬家造成的損失，安全、經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔施工及鉆孔巖性判別，陷落柱的形態(tài)和輪廓邊緣整體性膠結(jié)相對較好；根據(jù)鉆孔施工鉆進(jìn)速度以及個別鉆孔在注漿時發(fā)生煤墻裂隙跑漿現(xiàn)象，說明該陷落柱內(nèi)的孔隙比較豐富及周圈裂隙相對比較發(fā)育；陷落柱內(nèi)充填物主要為泥巖、砂巖和煤層組成，巖性松軟，膠結(jié)性差，整體性弱。工作面回采過陷落柱時應(yīng)加強(qiáng)頂?shù)装逯ёo(hù)，快速通過。

4.2 現(xiàn)場開采建議

1) 經(jīng)過注漿加固，雖然煤層層位頂、底板巖層膠結(jié)為一相對的整體，但因凝固時間較短，掘進(jìn)通過陷落柱時必須加強(qiáng)頂板管理。

2) 工作面回采通過陷落柱時應(yīng)加快推進(jìn)速度，防止因推進(jìn)速度慢導(dǎo)致應(yīng)力集中，造成架前頂板垮落或底板陷落。

3) 工作面回采期間應(yīng)配備不小于預(yù)計最大涌水量的排水設(shè)備。同時加強(qiáng)觀測，發(fā)現(xiàn)有透水征兆時，應(yīng)當(dāng)立即停止受水害威脅區(qū)域內(nèi)的采掘作業(yè)，撤出作業(yè)人員到安全地點，采取有效安全措施，分析查找透水原因。

5 結(jié) 語

1) 建立了王莊煤礦陷落柱周圍破碎區(qū)范圍的理論模型，通過力學(xué)分析和王莊煤礦的生產(chǎn)地質(zhì)條件確定了H49陷落柱和H50陷落柱周圍破碎區(qū)的范圍，為現(xiàn)場注漿方案設(shè)計和鉆孔布置提供了理論指導(dǎo)。

2) 給出了H49陷落柱和H50陷落柱現(xiàn)場注漿加固方案、注漿參數(shù)及施工要求等重要參數(shù)，通過現(xiàn)場注漿施工，9105工作面安全通過H49陷落柱和H50陷落柱，沒有發(fā)生冒頂、片幫和壓架等安全事故。同時避免了工作面搬家造成的損失，安全、經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。