綜放工作面過陷落柱加固機理及注漿技術

徐 澤

（晉城煤業集團趙莊煤業，山西 晉城 048000）

趙莊二號井西翼盤區地質情況復雜，一個工作面回采期間至少需要通過3～5個大型構造，極易發生片幫、冒頂事故[1]。礦井一般采取兩種處理辦法：一種是臨近或者揭露構造區時，在工作面切眼內向煤壁和頂板施工淺孔，注化學漿，但化學漿成本較高[2]，擴散范圍有限，且需要工作面停采提供施工時間，停采將引起煤巖體破壞程度加劇；另一種是超前工作面一定距離，在順槽內對構造區施工深孔，采用普通水泥預注漿，但普通水泥細度差、離析泌水、凝固及強度增長緩慢，注漿效果欠佳[3]。計劃以趙莊二號井2309工作面過陷落柱為研究對象，分析陷落柱加固機理，探索預注漿加固技術，以期能夠防止片幫、冒頂，保障工作面安全回采。

1 工程背景

趙莊二號井2309工作面開采3#煤層，走向長度1465.6m，傾斜長度155.7m，煤層平均厚度為4.2m，采用綜采放頂煤后退式采煤法。工作面機采高度2.8m，放頂煤厚度1.8m。布置23091、23092兩條順槽，均沿3#煤層頂板留底煤掘進，巷道斷面寬×高=5×3.1m。

在工作面回采過程中，將通過JDF69、F121、JDF70、F119斷 層，JDX16、X40、X41、X42陷落柱等構造，如圖1所示。礦方評估認為，過JDF69、F121、JDF70、F119斷層對回采影響不大，X40、X41、X42陷落柱影響范圍過大，計劃繞過重開切眼，通過JDX16陷落柱時，將會對回采造成重大影響，必須進行加固處理。

JDX16陷落柱長軸60m（回采進度805～865m），短軸49m（距離23091巷46～95m）。

2 陷落柱失穩機理及加固方式

2.1 過陷落柱圍巖失穩機理

陷落柱內部松散堆積，應力場與正常巖層明顯不同，從里到外依次可以劃分為應力降低區、應力升高區、原巖應力區。工作面過陷落柱，是工作面超前支承壓力與陷落柱圍巖支承壓力耦合的發生、增強、變弱、結束過程，使陷落柱經歷5個階段，即：耦合前的應力正常階段、進陷落柱邊緣的應力升高階段、到達陷落柱中部破碎區的應力降低吸收階段、出陷落柱邊緣的應力二次升高階段、完全出陷落柱后的應力恢復階段[4]。其中在應力升高階段和應力二次升高階段，將會對采場圍巖產生重大影響，當圍巖結構松散破碎、承載能力不足時，將會發生片幫、冒頂現象。構造與工作面位置關系示意圖如圖1所示。

圖1 構造與工作面位置關系示意圖

2.2 陷落柱加固機理

陷落柱加固根本在于提高內部破碎煤巖體的承載能力。注漿為一種有效手段，漿液以充填、滲透、劈裂等方式，驅走裂隙中的水分或空氣，使裂隙煤巖體膠結成一個整體，改善物理力學性能，提高完整性，改善弱面的力學性能，提高裂隙的粘聚力和內摩擦角，增大巖體內部塊體間相對位移的阻力，從而提高圍巖的整體穩定性。

2.3 陷落柱注漿加固方式

以往采用的在切眼內進行化學漿淺孔注漿，根本上講是一種應急措施，存在反應高溫、成本較高、施工緩慢、影響回采等諸多問題。

近年來，晉煤集團開始專注于構造區超前深孔預注漿技術研究，即超前工作面一定距離，在兩順槽內向陷落柱施工深孔，采用高性能注漿材料進行注漿加固，鉆孔覆蓋面積大，施工時間充足，非常適宜工作面片幫、冒頂預防的需要。

構造區注漿分為兩步：第一步為淺部裂隙封堵，采用速凝早強的注漿材料淺孔注漿，目的是封閉淺部漏漿通道，避免深孔注漿時大量漏漿；第二步為深部高壓注漿，采用高強高滲注漿材料，在高注漿壓力作用下，充分滲透加固。

3 注漿加固方案

3.1 加固范圍

JDX16陷落柱長軸60m（回采進度805～865m），前后邊緣各多加固10m，實際加固范圍為80m（回采進度795～875m）。

3.2 深孔加固層位

根據“控幫立頂”加固思路，鉆孔布置為上、下兩排，下排孔加固層位為煤壁中上部，加固煤壁防止片幫；上排孔加固層位為煤壁上方0～3m的頂板，提高頂板完整性，防止冒落。

3.3 鉆孔布置方案

（1）淺孔布置方案

鉆孔上、下兩排矩形布置，上排孔開孔高度距離底板2m，鉆孔間距2m，垂直于煤幫；下排孔開孔高度距離底板1m，鉆孔間距2m，垂直于煤幫。兩順槽各布置82個淺孔，孔深均為8m，孔徑均為42mm。淺孔布置平面圖如圖2所示。

圖2 淺孔鉆孔布置示意圖

（2）深孔布置方案

深孔鉆孔參數主要依據上述分析的鉆孔布置層位，在傾向剖面圖上依次繪制出煤層起伏曲線、支架變坡曲線、鉆孔，從而確定鉆孔參數，如圖3所示。由于煤層在走向和傾向上近水平，大大減小了鉆孔設計難度。

圖3 上、下兩排鉆孔加固層位示意圖

深孔鉆孔上、下兩排，上排孔開孔高度距離底板2m，仰角2.5°，鉆孔間距10m，孔徑Ф75mm；下排孔開孔高度距離底板1m，仰角1.5°，鉆孔間距10m，孔徑Ф75mm，孔深均為80m。兩順槽各布置17個鉆孔，鉆孔布置平面圖如圖4所示。

圖4 深孔鉆孔布置示意圖

3.4 注漿材料

淺孔注漿采用聯邦加固（雙液）注漿材料，分為A型和B型。使用時加水攪拌，水灰比0.8∶1，混合后約0～2min失去流動性，8～15min完全固化，2h強度超過10MPa，1d強度超過15MPa，能夠有效封堵錨桿索孔、裂隙等淺部漏漿通道。

深孔注漿采用聯邦加固（單液）注漿材料，細度1000～1200目。使用時加水攪拌，水灰比0.6:1，具備40min左右良好流動性，滿足制漿、輸送、擴散需要，超細化后漿液懸浮性好，不發生離析泌水，且能夠進入微裂隙，40min之后逐漸膠凝，1d強度超過20MPa，3d超過40MPa。

3.5 注漿工藝參數

淺孔注漿壓力2～4MPa，深孔以高壓滲透注漿為主，終止壓力15～20MPa。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

兩順槽共施工Ф42mm淺孔164個，進尺1312m，平均單孔注漿量0.2t，終止壓力2～4MPa；共施工Ф75mm深孔34個，進尺2720m，平均單孔注漿量5t，終止壓力15～20MPa。總計消耗注漿材料 202.8t。

4.2 效果考察

工作面在通過JDX16陷落柱后，揭露另一未探測到的構造區，未注漿加固。因此可以將地質正常區域、JDX16陷落柱區域、未注漿構造區3個區域回采情況作對比。

（1）片幫、冒頂統計

通過地質正常區域時，未發生冒頂，有輕微片幫現象，片幫深度300mm以內，連續架次不超過2架；通過JDX16陷落柱區域時，未發生冒頂，有片幫現象，片幫深度不超過500mm，連續架次不超過3架；通過未注漿構造區時，連續14架發生片幫、冒頂，片幫深度300～1000mm，冒頂高度200～800mm，工作面停采3d處理。

（2）工作面推進速度

通過地質正常區域時，平均推進速度3m/d；通過JDX16陷落柱區域時，平均推進速度2.2m/d，因需要處理陷落柱內大塊矸核，影響推進速度；通過未注漿構造區時，片幫、冒頂問題嚴重，平均推進速度0.97m/d。

（3）經濟效益

共消耗聯邦無機注漿加固材料202.8t，充填裂隙空間約172.38m3，按照等體積換算，約相當于350t化學漿。化學漿按1.8萬元/t，聯邦無機注漿材料0.5萬元/t，則本次注漿施工節省注漿材料費用為350×1.8-202.8×0.5=528.6萬元，實施長度80m，平均每米節約注漿費用6.6萬元。

5 結論

（1）陷落柱加固方式采用兩順槽超前深孔預注漿，注漿方式為淺部裂隙封堵和深部滲透注漿相結合。深孔下排孔加固層位為煤壁中上部，上排孔加固層位為煤壁上方0～3m的頂板，分別加固煤壁和頂板。

（2）介紹了聯邦加固（雙液）注漿材料和聯邦加固（單液）注漿材料，前者用于淺孔注漿、深孔封孔，后者用于深孔注漿。

（3）通過JDX16陷落柱區域時，未發生冒頂，片幫深度不超過500mm，連續架次不超過3架，推進速度2.2m/d；通過未注漿構造區時，連續14架發生片幫、冒頂，片幫深度300～1000mm，冒頂高度200～800mm，平均推進速度0.97m/d。