小常煤業30222工作面導水陷落柱注漿加固實踐

侯意成

(山西三元南耀 小常煤業有限公司，山西 長治 046000)

1 工程背景

小常煤業30222工作面在開展瓦斯順層抽放鉆探作業時，切眼及附近兩巷發生鉆孔出水，單孔最大涌水量達到120 m3/h，至2015年10月鉆孔累計疏放水量大于24萬m3。而瓦斯抽放孔135號和131號涌水量為59 m3/h。為進一步排查水源，委托長治市高原綜合勘探工程有限公司對30222工作面進行無線電波透視，其成果顯示距切眼90～130 m處有一異常區，分析認為：該異常范圍為井下鉆孔出水位置，此處無線電波場強吸收較強，煤層較為破碎，推測該范圍內巖層破碎嚴重，可能發育一陷落柱，其短軸長30 m，長軸長63 m，對工作面回采影響較大。

2 工作面水文地質情況分析

2.1 與3號煤層采掘活動關系比較密切的主要含水層

30222工作面主采3號煤層，3號煤層均厚6.82 m，煤層平均傾角4°，與3號煤層采掘活動關系比較密切的含水層有：①奧陶系裂隙巖溶含水巖組；②碎屑巖夾碳酸鹽巖類含水層組，該含水層主要由K2、K3、K4、K5、K6石灰巖組成，平均厚度為20.10 m，其中K2、K5巖溶裂隙相對較發育。3號煤層下距K6、K2灰巖頂板距離分別為14 m、99 m，距離奧陶系灰巖頂界面137 m。

2.2 30222工作面地質與水文地質分析

3號煤層底板巖芯主要以炭質泥巖、泥巖、砂質泥巖為主，平均抗壓強度30.7 MPa，平均抗拉強度0.78 MPa。

根據物探資料顯示，30222工作面靠近切眼90～130 m處，有一疑似巖溶陷落柱。在該井田其它區域，曾經實際揭露過巖溶陷落柱，與物探疑似陷落柱從位置上約有10 m左右的誤差。

2.3 水源分析

3號煤層底板自上而下依次為太原群灰巖含水組、奧陶系含水組和寒武系灰巖含水組，是該工作面乃至整個井田的主要含水層，其中太原群灰巖含水組、奧陶系含水組與3號煤層層間距分別為14 m、137 m。太原群灰巖含水組主要由K6至K2等若干薄層灰巖組成，夾層主要為泥巖、灰質泥巖和細粉砂巖，隔水效果較好。太原群灰巖含水組和奧陶系含水組之間有山西組鋁質泥巖發育，也是隔水效果很好的隔水層。在不存在構造發育的區域，太原群灰巖含水組和奧陶系含水組也同樣不具備抽放鉆孔出水的水文地質條件。綜合以上分析認為，135孔、131孔及切眼瓦斯抽放鉆孔出水水源應該是下部灰巖水或奧灰水通過陷落柱導通3號煤層所致。且礦井以往在采掘作業過程中，曾有揭露過巖溶陷落柱，因此可以初步判斷導水通道為巖溶陷落柱。

3 導水陷落柱注漿方案設計

3.1 鉆孔設計

在物探資料分析基礎上，布置鉆孔本著“探注結合、一孔多用、重點區域加密、三邊施工”等原則[1-2]。

在原有鉆孔基礎上，本著節約進尺和施工就近原則，利用回風巷25號鉆場施工6個鉆孔(1個探查孔，3個注漿堵水孔，2個注漿加固孔)，運巷利用原有的鉆場初步布置6個鉆孔(1個探查孔，2個注漿堵水孔，3個注漿加固孔)，鉆孔在平面與立體方向呈現交叉布置，主要針對前期施工鉆孔的空白區域進行加密探查。從上下兩巷進行探查控制，不僅利于探查范圍，而且多部鉆機同時施工，利于加快施工進度，縮短工期。如有必要還要在切眼內布置鉆場進行施工。

所有鉆孔盡量做到一孔兩用，即探查孔可以作為注漿孔，同時對前期施工的鉆孔進行處理、具備注漿條件后，進行注漿，并根據現場情況再增加若干注漿鉆孔。鉆孔參數見表1。

表1 鉆孔參數

3.2 修改補充設計

從風2、風4、運1、運3四個鉆孔出水位置分析，鉆孔揭露出水位置分別位于K7砂巖、K6灰巖、K5灰巖，從而可以確定該陷落柱為一邊緣型出水陷落柱，即陷落柱導通K7、K6、K5地層，將K5灰巖水導入3號煤層而形成積水，由抽放鉆孔釋放而突水。因此，決定對原設計方案進行修改調整：

1) 排除頂板水因素，主要針對K6、K5灰巖設計鉆孔，而且鉆孔數量會相對增加。只有增加鉆孔數量，才能擴大撲捉涌水通道的概率，才能擴大漿液擴散的面積。

2) 需調整注漿材料，由于鉆孔吸漿量小，單注水泥漿容易堵塞，不利于擴散，因此需換成超高水化學料及膨潤粘土(400目)，便于漿液擴散滲透。

3) 配備高壓力注漿泵，增大注漿壓力將漿液大量地壓入地層，使漿液最大限度地擴散。

4 注漿工程施工

在原有回風巷25號鉆場和運巷利用原有的鉆場初步各布置6個鉆孔的基礎上，再分別增加3個鉆孔，共布置18個鉆孔進行注漿。

本次鉆孔施工均采用三級孔徑結構：一級孔徑為152 mm，深度6～8 m，下入D146 mm套管6～8 m，套管用水泥或化學料漿液封固，壓力不低于3 MPa；二級孔徑為113 mm，深度16～30 m，下入D108 mm套管16～30 m，套管用水泥封固，壓力不低于5 MPa；耐壓試驗合格后，進行三級鉆進，孔徑為75 mm至設計孔深。風巷、運巷鉆場鉆孔剖面如圖1所示。

圖1 風巷、運輸巷鉆場鉆孔剖面示意

注漿材料主要由水泥、超高水化學料、粘土及水組成：采用P42.5普通硅酸鹽水泥、強度42.5 MPa，超高水充填材料PACK、抗壓強度10～30 MPa，400目鉆井級膨潤粘土、塑化度為1.0 Pa/(MPa·s)、海帶、鋸末、水玻璃。選用NBB-260/7三缸單作用往復式泥漿泵，額定流量260 L/min，額定壓力7 MPa，功率45 kW。注漿工藝流程如圖2所示。

圖2 注漿工藝流程

本次總注漿量為1 383.7 t，其中注水泥470.5 t，超高水化學料462.8 t，粘土450.4 t。通過此次注漿加固，有效充填了底板灰巖含水層的巖溶裂隙和導水裂隙，從而大大減弱了含水層的富水性，并切斷了水源補給的通道，把含水層改造成了隔水層，增加了有效隔水厚度，為工作面安全回采提供了安全保障。