新元礦9104工作面過陷落柱注漿加固技術應用研究

王明明

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

山西新元煤炭有限責任公司所屬9104綜采工作面地表位于韓莊村以北，清平鎮以東，南燕竹以南，冀家垴村西的黃土塬、黃土峁及溝谷地帶。井下北鄰9#南回風大巷、9#輔運大巷，東鄰9103回風巷，上部為3#煤3204綜采工作面（已采完）、3205綜采工作面（已采完），其他方向均未布置巷道。

受區域構造影響，井田總體為一走向近WE、傾向S的單斜構造，在此基礎上發育次一級的寬緩褶曲構造，地層傾角較平緩，傾角2°～9°。相對全井田而言井田中部地層較陡，井田內褶曲、斷層以及陷落柱較發育，井田內褶曲屬寬緩型褶曲，斷層較少，并且規模較小。經過上覆的3#煤層的開采發現斷層基本上不影響采區的劃分及工作面的推進，而陷落柱在采區內成群出現，在開采設計階段造成了一定程度的影響。3#煤層開采過程中，陷落柱導致煤巖體破碎嚴重，并且常有地下水導出，在生產過程中必須密切關注陷落柱的威脅[1]。9104綜采工作面回風順槽掘進過程中揭露一處陷落柱，陷落柱區域內煤巖體破碎嚴重，并且巷道底板處有大量的地下水涌入掘進工作面，經過長時間的抽排才能進行正常的巷道掘進工作。現在9104工作面即將進入回采階段，需對工作面范圍內的地質構造進行探測及治理。

2 工作面內地質構造情況探測

（1）觀測點與發射點工程布置

此次對工作面內的地質構造進行探測，儀器選用WKT-E型無線電波坑道透視儀。在9104工作面的回風順槽和運輸順槽內分別布置發射點、接收點，具體的布設情況如圖1所示。發射點間距為50.0m，一個發射點對應10個接收點，接收點在另一側的巷道內，間距10.0m。發射點發出電磁波在不同的接收點進行接收，形成一個扇形區域，當發現電磁波有異常時，可適當地增加接收點的個數，一個個相互交叉的扇形區域最終完全覆蓋整個工作面區域。9014綜采工作面長度為230m，推進長度為1330m，在兩條巷道內一共布置56個發射點，588個接收點。

（2）探測的結果分析

經過對探測信息的解釋，得到的結果為：工作面存在揭露陷落柱X2，預測陷落柱X1、X3、X4。其中，陷落柱X2長軸預計127m左右，不排除是多個陷落柱疊加而成，周圍可能存在承壓水聚集區，對回采有極大影響；預測陷落柱X1長軸預計31m左右，周圍可能存在承壓水聚集區，對回采有一定影響；預測陷落柱X3長軸預計49m左右，周圍可能存在承壓水聚集區，對回采有較大影響；預測陷落柱X4長軸預計121m左右，不排除是多個陷落柱疊加而成，陷落柱內松散的巖塊裂隙內，很可能匯集了大量的地下水，嚴重影響工作面的回采；預測斷層F1斷距小于1/2煤厚，周圍瓦斯含量可能高，對回采有一定影響；預測斷層F2斷距小于1/2煤厚，局部斷距可能接近1/2煤厚，周圍瓦斯含量可能高，對回采有一定影響。由于斷層規模較小，在回采階段不需要特殊處理。此外，工作面開采范圍內還可能存在其他小型構造，對回采影響不大。

（3）井下鉆孔探放水

為了進一步確認距離工作面開切眼最近處X2陷落柱具體的發育情況及含水性，參考以上工作面范圍內陷落柱的無線電波坑道透的結果，在回風順槽內通過鉆孔對X2陷落柱進行探放水。鉆場設計在距離切巷40m處，一共布置4組鉆孔進行探測，由于篇幅有限，列出第一組鉆孔的詳細參數如表1所示。每組為5個探測孔，鉆孔長度均為50m，傾角及方位角的變化使其成扇形布置[2]。

表1 鉆孔參數特征表

經過4輪的探測，確認X2陷落柱長軸長度為98m，短軸長度為34m，傾斜向上的探測孔內涌水量較少，向下的鉆孔內涌水量較大。根據9#煤層頂底板巖性，推測陷落柱內主要充水水源來自底板下部的奧灰水。經過對新元礦9104工作面內地質構造的探測，以及回風順槽揭露的陷落柱處的地質狀況，推測工作面推進過程中，由于采動的影響，造成煤層頂底板破壞深度較大。在陷落柱附近時，底板的破壞可能與陷落柱破碎區域導通，形成較大的導水裂隙，存在著涌水事故的風險，需要提前對陷落柱區域的煤巖體進行注漿加固。

3 注漿加固技術工藝

（1）注漿材料

高水速凝材料[3]是一種在水灰比較高的情況下快速凝固的特種水泥混合物。這類材料用水量較大，但是比較節約材料，將其分為甲、乙兩個部分，分別加水攪拌形成漿液，并且不易凝固，但是甲乙混合后會迅速凝固。考慮到這種特性選用雙液注漿系統注漿，使漿液在注漿位置進行混合，在圍巖內迅速凝結，固化圍巖。考慮到漿液固結強度及材料消耗等因素，選擇注漿材料水灰比1.5:1。由于陷落柱周圍的煤巖體破碎非常嚴重，裂隙發育較好，注漿孔深度的提高及圍巖裂隙發育較好，決定選用較小的注漿壓力，壓力均為4MPa左右。

（2）注漿孔布置

根據探測的結果，由于陷落柱X2靠近回風順槽這一側，并且影響范圍較大，設計布置6個注漿孔進行注漿加固。注漿孔的布置要使漿液更多、更均勻地滲透到破碎圍巖內，參考相似礦井工作面注漿加固的鉆孔布置方式，回風順槽實體煤側超前注漿時注漿孔的布置如圖2。注漿孔間排距為3m，水平方向鉆進，鉆孔深度10m。

圖2 注漿孔布置示意圖

（3）注漿量估算及注漿管設計

根據陷落柱附近煤巖體的裂隙發育情況以及漿液柱形擴散理論對單孔注漿量進行估算：

式中：

R—漿液擴散半徑，m；

L—注漿孔深度，m；

n—圍巖裂隙率，根據軌道巷揭露的陷落柱位置，圍巖體破碎情況n值為0.09；

α—圍巖充填系數，根據實際情況取0.6；

β—漿液消耗系數，1.1～1.2。

根據9104工作面的地質狀況計算結果為：56.3m3。實際注漿過程中，基本上每個注漿孔的注漿量都大于理論計算值，注漿管的形狀是影響注漿效果的一個極為關鍵的因素，根據陷落柱距離巷道的位置，設計采用如圖3所示的注漿管進行注漿。

圖3 注漿管結構示意圖

（4）施工工藝

在回風順槽煤壁側對X2陷落柱進行注漿加固，按照注漿孔的實際長度插入注漿管，從注漿孔底到孔口一次進行高壓封孔注漿。由于注漿管在煤體內會影響回采工作面采煤機的破煤，因此單孔注漿完畢后應將注漿管抽出進行封孔。

① 打孔。按照設計的鉆孔直徑、長度等參數，一次打設注漿鉆孔全長。

② 封孔。目前常采用的封孔工藝有：水泥砂漿封孔和自動封孔器封孔。由于封孔器對于注水鉆孔的成孔質量有很高的要求，如孔壁平滑、孔內沒有粉塵等，這導致封孔的質量嚴重受限，因此選擇封孔泵注水泥砂漿封孔。

③ 注漿。各個注漿孔成孔后，逐個進行封孔。預先進行上部一排的注漿，注漿時通過下部孔內的涌水量來評估注漿的效果。當上部三個注漿孔注漿完畢后，如果下部注漿孔已經沒有水涌出，即暫停注漿，根據工作面推進至陷落柱附近時的涌水情況再決定第二輪注漿是否需要進行。

4 工作面涌水量觀測

為了考察超前注漿對于陷落柱的底板水害的治理效果，定期對回采過程中工作面內地下水的日涌出量進行觀測、統計，得到的數據整理得結果如圖4 所示。由圖可知，隨著工作面向陷落柱X2的推進，工作面內底板的出水量逐漸增加。當工作面進入到陷落柱區域內，涌水量維持在42m3/h，在工作面正常的排水能力范圍內。即取得了較好的治理效果。

圖4 涌水量觀測結果圖

5 結論

（1）運用WKT-E型無線電波坑道透視儀及在回風順槽內對X2陷落柱的探放水，對9104回采工作面區域內的地質構造的發育情況進行預測，確定工作面X2的發育情況及含水性，為后期的生產設計提供依據。

（2）由于陷落柱的影響，使煤層中產生大量裂隙，煤巖體破碎嚴重，且工作面冒頂將會嚴重影響工作面的正常生產。通過在回風順槽內進行陷落柱超前注漿加固，提高了煤巖體的彈性模量和整體強度。在工作面推進至該區域時，將地下水的涌出量控制在42m3/h，消除了陷落柱內承壓水對工作面底板造成的危害。在加固后的工作面回采過程中頂底板圍巖的完整性也得到了提高，整體來說取得了很好的治理效果。