8704 工作面過陷落柱注漿治理研究

郭 鵬

（晉能控股集團(tuán)鐵峰煤業(yè)有限公司，山西 右玉 037200）

1 工程概況

8704 工作面位于鐵峰公司南陽坡礦307 盤區(qū)，是該盤區(qū)的首采面。煤層走向北西，傾向南東，傾角5°～8°。8 號(hào)煤層以黑色、半暗煤為主，玻璃光澤，夾鏡煤條帶及黃鐵礦，斷口呈平坦?fàn)?、參差狀，裂隙發(fā)育，煤層夾有2～3 層夾矸，均為泥巖。煤層賦存條件穩(wěn)定。其上覆5 號(hào)煤層已被開采，地質(zhì)構(gòu)造簡單，局部小裂隙發(fā)育。位于尾巷578～655 m 處揭露一陷落柱，長軸長77 m，短軸長38 m[1-2]。

陷落柱嚴(yán)重制約煤礦的正常生產(chǎn)，對(duì)煤層的頂?shù)装逶斐善茐?，影響正?；夭?。在工作面推進(jìn)到陷落柱附近時(shí)，由于頂板和煤壁強(qiáng)度低，完整性差，無法起到承載作用，頂板的維護(hù)極其困難，容易發(fā)生漏頂事故，極大程度地減緩了工作面的推進(jìn)速度，并造成了一定的安全隱患，所以為了回采的安全性，保證工作面能順利通過此區(qū)域，必須要做好管控和治理[3-5]。

2 注漿加固機(jī)理分析與關(guān)鍵參數(shù)的確定

2.1 注漿加固機(jī)理分析

由于受陷落柱的影響，8704 尾巷578～655 m 處圍巖破碎性高，破碎范圍大，原有的支護(hù)在煤體中的最大深度才6 m 多，只能在很小的范圍起到作用，深部的圍巖根本無法得到改善，而且錨固劑與圍巖的黏結(jié)比較分散，無法集中在一起，煤體的完整性差，錨固效果不理想，無法充分發(fā)揮支護(hù)效果。當(dāng)工作面回采到陷落柱附近時(shí)，在高應(yīng)力的影響下，不僅原有破碎加劇，而且新的裂隙產(chǎn)生，使圍巖的條件變得更差。所以之前的支護(hù)無法滿足要求，必須進(jìn)行注漿加固[6]。

圍巖注漿是通過鉆孔，以一定壓力將漿液注入到圍巖的方法。當(dāng)注入漿液后，漿液依靠自身的流動(dòng)性可以快速填充到圍巖的裂隙當(dāng)中，注漿材料強(qiáng)大的黏結(jié)性將分離的巖體黏結(jié)起來，重新保持其完整性，此時(shí)巖體的強(qiáng)度明顯增大，自身承載能力也大大提高，可以保持相對(duì)的穩(wěn)定性；如果破壞范圍大時(shí)，可以增加鉆孔深度，使深部巖體的性能得到改善。

2.2 注漿對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響

為了研究注漿對(duì)圍巖塑性區(qū)的效果，采用UDEC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，模擬情況如圖1 所示。

圖1 注漿前后巷道圍巖塑性區(qū)分布情況

圖1 中深色區(qū)域?yàn)閺埨茐膮^(qū)，從圖1 中可看出，在原有支護(hù)下，圍巖破壞范圍較大且?guī)筒看嬖诖罅康膹埨茐膮^(qū)域，破壞情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂?shù)装澹{后塑性區(qū)的面積明顯縮小，張拉破壞區(qū)范圍更是由原來的大片區(qū)域變?yōu)榱阈菂^(qū)域。在注漿后左幫最大破壞深度下降42%，右?guī)拖陆?5%，底板下降47%，頂板下降33.3%，這說明注漿對(duì)于治理圍巖破壞有著良好的效果[7-8]。

2.3 關(guān)鍵參數(shù)的確定

2.3.1 注漿壓力的確定

為了研究注漿壓力、水灰比對(duì)漿液擴(kuò)散效果的影響，分別選擇了5 組注漿壓力和0.5∶1～1∶1 的水灰質(zhì)量比，觀察此范圍內(nèi)漿液在煤體徑向和切向上的擴(kuò)散情況，并據(jù)此將數(shù)據(jù)繪制成表，具體規(guī)律如圖2 所示。

圖2 注漿壓力、水灰比與漿液擴(kuò)散半徑關(guān)系

根據(jù)圖2 可以得到以下結(jié)論：

1）在一定范圍內(nèi)，漿液擴(kuò)散半徑與壓力、水灰比呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，也就是說壓力和水灰比的增加會(huì)增強(qiáng)漿液的擴(kuò)散效果。在壓力小于3 MPa 時(shí)，漿液在煤體徑向上的擴(kuò)散效果與切向相當(dāng)，而超過3 MPa 后，切向上的擴(kuò)散效果明顯增加，最終成為主要的擴(kuò)散方向。

2）在注漿壓力較小的時(shí)候，注漿壓力是擴(kuò)散效果的主要影響因素，而隨著壓力的增大，曲線趨于平緩，此時(shí)水灰比的影響效果開始增強(qiáng)，逐漸成為了擴(kuò)散效果的主要影響因素。

由上述分析可以知道，漿液的擴(kuò)散效果是由注漿壓力和水灰比共同決定的，一味的增加注漿壓力效果不明顯，所以根據(jù)實(shí)際情況確定最終的壓力為4 MPa。

2.3.2 注漿材料的確定

聯(lián)邦無機(jī)加固材料是一種具有多方面優(yōu)點(diǎn)的新型的材料，所以本次注漿治理使用該材料。

2.3.3 水灰比的確定

由于水的流動(dòng)性和滲透性強(qiáng)，所以在注漿壓力相同的情況下，水灰比越大，漿液的擴(kuò)散效果越好，由于此加固工程選的加固材料水灰質(zhì)量比可在0.5∶1～1∶1 間調(diào)整，雖然本設(shè)計(jì)選用水灰比為0.6∶1～0.8∶1，但可根據(jù)現(xiàn)場裂隙情況進(jìn)行調(diào)整。

3 注漿方案

3.1 注漿范圍

針對(duì)8704 工作面陷落柱位置與結(jié)構(gòu)情況，并依據(jù)注漿強(qiáng)化加固的作用機(jī)理，采用注漿的方式充填陷落柱周圍煤巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)破碎煤巖塊的摩擦力和整體性，提高其強(qiáng)度和承載能力，防止漏頂。對(duì)南陽坡礦8704 工作面回風(fēng)巷標(biāo)牌550～670 m 段進(jìn)行注漿加固，施工范圍120 m。

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)方案

鉆孔垂直工作面煤墻布置，每組設(shè)計(jì)9 個(gè)鉆孔，鉆孔每組排距10 m，上部4 個(gè)鉆孔為仰角孔（終孔穿過煤層頂板5 m），中部1 個(gè)鉆孔為水平孔（終孔穿過陷落柱5～10 m），下部4 個(gè)鉆孔為俯角孔（終孔穿過煤層底板5 m），具體鉆孔參數(shù)如表1 所示，鉆孔布置如圖3 所示。

表1 鉆孔參數(shù)表

圖3 鉆孔布置圖（單位：mm）

3.3 施工工藝

1）施工流程：開孔鉆進(jìn)→下套管、固管→透孔試壓合格→鉆進(jìn)至終孔→起鉆驗(yàn)收孔深→注漿加固→終壓封孔。

2）施工操作方法：先用Φ133 mm 鉆頭開孔，鉆進(jìn)過設(shè)計(jì)位置（一般超套管設(shè)計(jì)深度0.5～2.0 m）后，進(jìn)行沖孔，將孔內(nèi)巖粉、碎塊沖洗干凈。然后下入Φ108 mm 套管，套管下到設(shè)計(jì)深度后，向管內(nèi)壓入清水，沖洗套管的外壁與孔壁間巖粉，以提高固管質(zhì)量。接著漿液從套管內(nèi)壓入，待套管與孔壁間流出濃稠漿液后，停止壓漿，凝固24 h 后掃孔至原孔底以下0.5～1.0 m，進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，耐壓試驗(yàn)壓力不低于4 MPa，持續(xù)時(shí)間不少于30 min?？妆诩般@孔周圍不漏水、不滲水為試壓合格，否則補(bǔ)漿。補(bǔ)漿采用單液水泥漿，漿液質(zhì)量比1.5，不宜過于濃稠。凝固24 h 后，掃孔、試壓。如此反復(fù)，直至試壓合格。試壓合格后，在孔口套管上安裝好法蘭盤。固管試壓合格后用Φ94 mm 鉆頭鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)孔深起鉆，開始注漿加固作業(yè)。

3.4 注漿工藝

注漿工藝流程：檢查泵及注漿管路的連接等情況→打開輸出閥門→開始注漿→注漿→結(jié)束注漿→用清水清洗泵和注漿管路。

注漿前認(rèn)真檢查孔口管閘閥和球閥是否堵塞、完好，開關(guān)是否靈活，安裝是否牢靠等，連接注漿三通泄壓閥口要朝下，注漿孔孔口要安裝高壓耐震壓力表。注漿地點(diǎn)要有專人觀測孔口壓力表讀數(shù)變化，終壓4 MPa。注漿過程中，出現(xiàn)跑漿、底鼓、注漿量特別大及其他情況時(shí)，要采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理，如添加骨料或調(diào)整漿液比。注漿結(jié)束后，及時(shí)關(guān)閉孔口閘閥，然后用清水沖洗管路，最后通知注漿站停泵[9-10]。

4 治理效果驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證注漿加固的效果，對(duì)注漿前后的圍巖情況進(jìn)行比較，在工作面揭露陷落柱前40 m 范圍內(nèi)，大概發(fā)生煤壁片幫事故28 次，片幫范圍大，深度深，絕大多數(shù)深度在0.7～1.3 m 之間，局部可達(dá)2 m。在片幫的同時(shí)，頂板漏頂也經(jīng)常發(fā)生，局部工作面頂板出現(xiàn)破碎、矸石掉落的現(xiàn)象，頂板破碎范圍0.6～0.9 m，極易造成支架被困住，無法移動(dòng)，減緩工作面的推進(jìn)速度。通過注漿治理之后，在過陷落柱期間，煤壁片幫次數(shù)和范圍明顯減小，共發(fā)生煤壁片幫12 次左右，且片幫深度減小至0.4 m 左右，降低了60%以上。煤壁的強(qiáng)度和完整性得到了改善，支承能力提高。工作面頂板僅有局部出現(xiàn)輕微冒頂?shù)默F(xiàn)象，同時(shí)由于煤體情況良好，工作面的推進(jìn)速度也明顯加快，通過陷落柱的時(shí)間提前了一個(gè)多月，保證了煤炭產(chǎn)量。

5 結(jié)論

1）針對(duì)8704 工作面陷落柱位置與結(jié)構(gòu)情況，并依據(jù)注漿強(qiáng)化加固的作用機(jī)理，采用注漿的方式充填陷落柱。

2）在數(shù)值模擬之后，理論分析了注漿壓力和水灰比對(duì)漿液擴(kuò)散效果規(guī)律，并確定了具體參數(shù)，又根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際設(shè)計(jì)了鉆孔布置方式。

3）治理完成后，為了檢驗(yàn)此次注漿加固的效果，決定與之前煤壁片幫、陷架次數(shù)進(jìn)行比較。通過比較可以發(fā)現(xiàn)：煤體強(qiáng)度增大，整體性得到了改善，可以有效形成承載結(jié)構(gòu)；在回采過程中工作面陷架、片幫數(shù)量和片幫深度顯著降低，沒有發(fā)生大的漏頂事故，有效提高了工作面的推進(jìn)速度和安全性。