高河能源W4301 工作面切眼Xw15 陷落柱注漿堵水加固技術

吳慧科

(山西潞安礦業（集團）高河能源有限公司，山西 長治 047100）

地質構造[1-2]是影響我國煤礦安全開采的重要因素，陷落柱由于其內部巖石往往較為破碎且膠結性差，極易導通底板含水層，且會造成工作面冒頂問題。因此，陷落柱的治理[3-5]是廣大煤炭技術人員廣泛研究的課題。

1 工程概況

高河礦主采3 號煤層，煤層平均厚6.71m，煤層底板標高+350～ +570m，中奧陶統奧灰水位標高約為+660m，承受的奧灰水壓介于0.9～3.1MPa 之間，全井田帶壓開采。目前，礦井準備回采W4301 工作面。根據三維地震勘探和在W4301 切眼巷鉆探情況，查明Xw15 陷落柱位于W4301 工作面內的西南角，距離W4301 切眼巷7m 左右，距離W4301 進風巷70m 左右，橢圓狀，長軸為東西方向，長度75m，短軸為近南北方向，長度為53m。探測顯示Xw15陷落柱內無出水、漏水、滲水現象，判斷該陷落柱為不導水陷落柱。但由于陷落柱內部巖石膠結性較差，巖石較為破碎，回采時容易發生頂板冒落和底板陷落事故，加之全礦井帶壓開采，防止采動裂隙與奧灰水導通，降低奧灰水對工作面開采的危險，決定對該陷落柱進行注漿加固。

2 注漿堵水加固方案

2.1 加固范圍及鉆場布置

依據前期探查查出的Xw15 陷落柱的范圍，水平方向鉆孔控制到Xw15 陷落柱輪廓外20m，垂直方向鉆孔控制到煤層層位頂板以上10m、煤層層位底板以下25m。結合陷落柱位置，本次注漿堵水加固施工在W4301 切眼施工，切眼高3.8m，巷寬7m，鉆場長度從進風順槽口向北64m 至144m 處，共80m 范圍。

2.2 鉆孔布置參數

注漿鉆孔位于W4301 切眼回采側煤壁，分為頂板鉆孔和底板鉆孔。

（1）底板鉆孔

根據高河礦地質情況，以及以往注漿堵水工程實踐，設計5 排38 個鉆孔。鉆孔均垂直回采側煤幫，方位角為90°。具體為：① 第一排8 個鉆孔，開孔編號Ad（1-8），終孔編號（1-8）d，傾角-29°，鉆孔長度65m；② 第二排8 個鉆孔，開孔編號Ae（1-8），終孔編號（1-8）e，傾角-16°，鉆孔長度94m；③ 第三排8 個鉆孔，開孔編號Bf（1-8），終孔編號（1-8）e，傾角-66°，鉆孔長度90m；④ 第四排7 個鉆孔，開孔編號Be（①-⑦），終孔編號（①-⑦）a，傾角-7°，鉆孔長度91m；⑤ 第五排7 個鉆孔，開孔編號Ag（1-7）），終孔編號（1-7）g，傾角-51°，鉆孔長度32m。鉆孔布置如圖1 所示，鉆孔參數如表1 所示。

圖1 底板注漿鉆孔布置平面圖

表1 底板鉆孔參數表

（2）頂板鉆孔

頂板鉆孔同樣按照5 排設計，共32 個注漿鉆孔。鉆孔均垂直回采側煤幫，方位角90°。具體為：① 第一排8 個鉆孔，編號Ca（1-8），傾角26°，鉆孔長度22m；② 第二排8 個鉆孔，編號Cb（1-8），傾角11°，鉆孔長度51m；③ 第三排8 個鉆孔，開孔編號Cc（1-8），傾角6°，鉆孔長度91m；④ 第四排7 個鉆孔，開孔編號Cc（①-⑦），傾角6°，鉆孔長度91m；⑤ 第五排1 個鉆孔，開孔編號Cf，傾角27°，鉆孔長度89m。鉆孔布置如圖2所示，鉆孔參數如表2 所示。

圖2 頂板注漿鉆孔布置平面圖

表2 頂板鉆孔參數表

2.3 鉆孔施工

在鉆孔施工過程中，出現水文地質等異常情況，應及時匯報并調整鉆孔角度、方位、深度、數量。鉆孔施工自進風順槽側開始，排與排之間、每排孔與孔之間采用間隔施工。

2.4 鉆孔結構及施工工藝

注漿鉆孔采用兩級孔徑，開孔孔徑Φ113mm，施 工 到10m 停 止， 下 入Φ108mm 套 管（ 長10m），并安裝孔口安全裝置。孔口管壁后注入42.5R 普通硅酸鹽早強水泥，凝固時間8～12h 達到強度、封閉效果要求后，用Φ75mm 鉆頭透孔至孔底再鉆進0.5～1m起出鉆具，然后孔口安裝測壓系統，孔口壓力達到4MPa，并持續穩壓30min，試驗鉆孔周邊無滲漏水、套管無位移、幫底無鼓起、頂無冒落現象。測試合格后，更換Φ75mm 鉆頭，繼續鉆進至終孔層位。

3 注漿堵水施工工藝

3.1 注漿材料及漿液

本次注漿采用42.5R 普通硅酸鹽早強水泥。每個鉆孔在注漿前均需進行壓水試驗，沖孔并疏通孔內巖石裂隙，并由此決定漿液濃度，原則上漿液先稀后稠，出現跑漿和串孔時提高漿液濃度。

3.2 注漿方式及壓力

采用終孔一次性連續注漿。根據該處底板承受的奧灰水壓為1.67MPa，初步確定Xw15 陷落柱注漿加固終壓為4MPa。施工過程中根據實際情況可適當調整注漿壓力。

3.3 注漿順序

原則上施工一孔注一孔，如經初步探查孔做壓水、壓漿聯通試驗相互無影響，可以邊打孔邊注漿或同時實施兩個及多個注漿孔同步注漿。每個鉆孔施工中出現5m3/h 水量以上的，起出鉆具隨時注漿，自始至終反復透孔，直至達到注漿結束標準。

3.4 注漿結束標準

注漿過程中在注漿壓力達到4MPa 時，認為該孔達到壓力結束標準。達到壓力標準后應逐次降低泵量至50L/min，并維持30min。

4 現場施工效果分析

4.1 施工情況

本次注漿施工共計37d，完成70 個鉆孔的注漿施工，共計進尺4969m；累計使用水泥83t，單孔最大注漿量為12t，最小為0.25t，平均1.17t；注漿壓力均超過4MPa，最高達11MPa。鉆孔施工過程中對各鉆孔的施工情況及出水量進行統計，單孔出水量最大為0.3m3/h，最小出水量為0.08m3/h，說明回采過陷落柱時底板不會發生大的突水事故。

4.2 經濟效益

本次注漿堵水施工實際發生工程費用175 萬元。根據Xw15 陷落柱的實際探測情況，采用注漿堵水加固后工作面推進長度可增加約100m，可多回收煤炭資源約23.3 萬t。按照每噸煤100 元利潤計算，再扣除注漿加固施工工程費用后，可實際增加利潤約2155 萬元，

4.3 效果分析

由于Xw15 陷落柱距W4301 工作面切眼較近，工作面初采期間就會揭露陷落柱，且老頂初次來壓強度較大，因此，在工作面回采過陷落柱期間，需加強對工作面頂板的管理。隊組拉架工嚴格按照作業規程要求，保證工作面液壓支架的初撐力，并及時打開護幫板護幫，且在頂板破碎時采取跟機帶壓拉架和提前帶壓拉架的方法，保證工作面頂板安全。回采工作面在過陷落柱期間沒有出現大范圍的片幫冒頂現象，并且陷落柱未與底板奧灰含水層導通，沒有出現工作面頂板淋水和涌水現象，保證了回采工作面安全高效生產。

5 結論

通過采用注漿堵水加固和加強工作面頂板管理等技術方法后，W4301 工作面可多回收煤炭資源約23.3 萬t，可增加利潤約2155 萬元。在工作面回采過陷落柱期間沒有出現大范圍的片幫冒頂現象，也沒有出現淋水、涌水現象，保證了回采工作面安全高效生產。