煤峪口礦9#煤層副立井采空區治理技術研究

王灝宇

（同煤集團煤峪口礦，山西 大同 037003）

1 概述

大同煤業股份有限公司煤峪口礦隨著深部煤炭的開采，為滿足生產需要新建副立井。過9#煤層采空區建立的副井井深492 m，凈徑7 m，采空區穿越段壁厚800 mm。采空區對副立井的安全穩定有著較大影響，可能使副立井出現井筒破壞、井筒透水、采空區有毒氣體進入井筒等情況。為了保證副立井安全使用，煤峪口礦對9#副立井周邊采空區進行有效治理。

2 采空區充填工藝

9#煤直接頂為灰色粉砂巖，厚2.30 m，泥質結構；直接底為灰色粉砂巖，厚10.62 m，泥質結構。9#副立井附近采空區充填范圍如圖1 所示，充填治理范圍為9#副立井井壁采空區側30 m 的區域，治理面積為767 m2，充填體積為1656 m3。采空區充填工藝主要包括鉆孔布設、注漿、填充效果確認等。

（1）鉆孔布設

治理區布置8 個灌漿鉆孔和1 個檢查孔，鉆孔的位置布置依照“分序次進行，先外圈后內圈”的原則進行。結合9#煤層實際情況，使鉆孔分布覆蓋全部采空區擬治理區。鉆孔位置確定后，進行鉆孔作業。首先根據確定的鉆孔位置，架設專業鉆孔機，按照施工技術要求進行煤層打孔；然后將套管安裝于初成型的孔道中，注意套管的末端必須直達采空區，以便注漿工序能夠順利實施。9#煤層鉆孔布置如圖2 所示。

圖1 煤 峪口礦9#副立井附近采空區充填范圍圖示

鉆孔鉆至9#煤層采空區（或煤層）底板不小于1 m 終孔。開孔用直徑152 mm 的牙輪鉆頭或直徑146 mm 的巖心管，進入基巖穩定地段5 m 后，變徑為113 mm 或94 mm 鉆頭，鉆至設計孔深，然后下入Φ140 mm 孔口管，并用0.6:1 水泥漿液固管，水泥漿中添加早強劑。鉆孔結構具體如圖3 所示。

圖2 煤峪口礦9#煤層鉆孔布置示意圖

圖3 鉆孔結構圖

（2）注漿

本工藝采用的注漿漿液主要為水泥粉煤灰漿，組成原料分別為水泥、粉煤灰、水等。按照9#煤層采空區填充技術要求，進行漿液的配比。根據采空區不同地質條件組成，分別選取了水泥與粉煤灰比為4:6 和5:5 兩種配比。漿液并沒有固定的配比要求，需要根據地質條件等技術參數進行試驗確定，然后進行施工。注漿工藝流程如圖4 所示。

圖4 注漿工藝流程圖

注漿采用套管口壓蓋止漿方式完成注漿工序，示意圖如圖5 所示。注漿時要根據注漿孔的布置，首先進行最外部注漿，依次向內。注漿時要嚴格控制注漿工藝參數，不能為了節約時間一次性向注漿孔內注入該孔全部設計漿液量。因為一次性注漿有很大概率使漿液在采空區大范圍擴散，無法滿足填充效果要求。

圖5 套管口壓蓋注漿方式

注漿過程中漿液組成對填充效果有極大的影響。漿液的原料配合比例不同，制出漿液的物化性質也是不同的。對填充漿液而言，自身固液性質、注漿時的難易程度以及注漿完成后的抗壓能力等，都是需要特別關注的。因此，在注漿前，對漿液性質的檢測就顯得尤為重要。漿液性能指標測試方法如下：

① 比重。漿液的比重是漿液重要的物理屬性，影響著漿液的填充效果，因此必須對其進行精準測量。一般可以使用專業比重計來測定比重。

② 粘度。漿液的粘度是影響漿液入孔的重要參數，過高的粘度會出現漿液無法進入鉆孔的現象，而粘度太低則使得填充后的采空區支撐力不夠，達不到填充效果。測量漿液的粘度可以采用專業的粘度計，也可以采用傳統的泥漿杯測量法進行測量。

③ 結石體抗壓強度。用50 mm×50 mm×50 mm的模具使漿液成型，將成型后的結石體放在20 ℃左右的水中，測定漿液的結石抗壓強度。

設計注漿量對于節約注漿原料、測算工程量以及選取注漿泵等都有重要的意義。9#煤層副立井附近采空區上層地質結構裂縫以及采空區體積等都是需要考慮的因素。另外由于該采空區存在時間較長，采空區巷道等已經存在變形情況，因此在計算注漿量時需要添加系數進行修正。注漿量采用下述公式進行計算：

式中：Q 為采空區注漿量，m3；A 為漿液損耗系數，取1.4；V 為采空區剩余空洞體積，取1656 m3；η 為注漿充填率，取0.8；c 為漿液結石率，0.85。計算得Q=2182 m3（設計值）。

注漿時選擇的壓力范圍，對于最終的注漿效果和采空區填充效果有重要的影響。如果注漿壓力較低，則會存在采空區填充支撐力不夠，填充失去意義，而太高的注漿壓力則會影響副立井周邊穩定。本案例將注漿壓力范圍保持在1～1.5 MPa。在剛開始注漿時，為了防止進入采空區的漿液擴散太快，壓力可以較低，當注漿快完成時，注漿壓力可以適當提高。當注漿流量維持在低于60 L/min、15 min以上時，說明該孔注漿完成。

（3）填充效果

為了確認注漿完成后采空區填充實際狀態，對采空區地表塌陷參數進行了跟蹤監測，監測結果如圖6 所示。從圖6 可以看出，9#副立井在附近采空區填充后，地表整體沉陷程度遠小于未填充采空區，因此可以說明本技術完成的采空區治理具有明顯的效果。

3 填充施工難點

（1）鉆孔完成后開展的注漿流程，對工藝要求較為嚴格。注漿過程可能會出現一些工藝難點，如鉆孔損壞、注漿泵注漿壓力不合適以及串漿溢漿等，導致注漿工藝流程受阻。遇到類似問題時，需要及時處理，不斷監控注漿質量，保證漿液到達設計深度以及設計壓力，滿足采空區填充設計技術要求。

（2）在向鉆孔進行注漿時，如果出現了難以注入或者漿液溢出的現象，可以調低注漿泵的流速，適當增大注漿泵的注入壓力。

（3）在向鉆孔進行注漿時如果出現了串漿現象，即從一孔注入的漿液從另外一孔流出，如果漿液流出孔已經具備注漿的可能，則應該向該孔也進行注漿操作，實現多孔注漿，如果流出孔不具備注漿的可能，則需要對該孔進行堵塞，待該孔需要注漿時，視情況進行擴孔處理。

（4）由于漿液的凝固性質，注漿工作一定要連續完成，如確實需要間歇作業，則需要在每次注漿后，對注漿孔進行保養清理，保證注漿孔的通暢。

圖6 填充區與未填充區地表下沉量對比圖

4 結論

通過研究，采用注漿加固采空區工藝，實現了過采空區煤礦立井使用環境的安全穩定，這給煤礦生產活動中類似問題的解決提出了新的技術方案，有一定的推廣價值。本文主要形成以下結論：

（1）鉆孔注漿技術實現了過采空區副立井周邊環境的安全穩定，保障了副立井的使用安全。

（2）鉆孔采用的分序次進行、先外圈后內圈的原則能夠最大程度降低采空區填充施工規模，實現采空區填充穩定。

（3）注漿過程中的漿液組成對填充效果有極大的影響，漿液組成比例需要根據采空區實際地質條件以及填充需求確定。