常村煤礦DX22-4陷落柱注漿加固技術(shù)探究

武少鵬，李江鋒，侯旭斌

(1.潞安化工集團(tuán) 健康安全環(huán)保部，山西 長治 046204；2.潞安環(huán)能股份有限責(zé)任公司，山西 長治 046204)

1 項目背景

常村煤礦是潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司下屬的現(xiàn)代化礦井，位于山西省長治市屯留縣城東北10 km(直距)處，該礦2311綜放工作面上覆有一條鐵路(潞安專線)壓覆，如圖1所示。

圖1 DX22-4陷落柱位置

為節(jié)約煤炭資源，延長礦井服務(wù)年限，決定采用覆巖離層區(qū)注漿充填技術(shù)釋放鐵路壓煤，可解放資源148萬t煤炭資源，實現(xiàn)綠色開采。

覆巖離層注漿減沉開采技術(shù)是在對煤炭開采形成的上覆巖層離層空間進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，將粉煤灰制成的漿液通過地表鉆孔注入地下離層空間，提前干預(yù)上覆巖層下沉，人為形成覆巖結(jié)構(gòu)，進(jìn)而控制地表塌陷。注漿充填系統(tǒng)主要由地面制漿站、注漿站、輸漿系統(tǒng)、注漿鉆孔等組成。注漿方案主要由注漿工藝、注漿站建設(shè)、制漿系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、閉漿措施等組成。

但是，2311綜放工作面范圍內(nèi)存在一大型陷落柱DX22-4。注漿孔(CC23-11、CC23-B11、CC23-13等)進(jìn)行注漿作業(yè)時，由于離陷落柱DX22-4較近，會出現(xiàn)串液現(xiàn)象，致使?jié){液串入綜采工作面，既影響工作面生產(chǎn)，又達(dá)不到控制地表沉陷的效果。

鑒于此，需先對陷落柱DX22-4開展探查工作，在探查的基礎(chǔ)上針對性地進(jìn)行治理。

2 陷落柱勘探

2.1 陷落柱概況

DX22-4陷落柱位于2311工作面中部，靠近此次重點保護(hù)余吾鐵路運銷專線，根據(jù)現(xiàn)有資料陷落柱為近橢圓形，長軸約60 m，短軸約53 m，面積約2 073 m2(見圖1、圖2)。

圖2 DX22-4陷落柱發(fā)育平面形態(tài)

2.2 勘查方案設(shè)計

在陷落柱中部放一個探查孔，兼探煤層埋深及關(guān)鍵層位置，查明陷落柱頂部空腔發(fā)育特征、陷落柱邊界、導(dǎo)水性以及對關(guān)鍵層的影響(見表1和圖3)。

表1 陷落柱勘探方案

圖3 勘探孔井身結(jié)構(gòu)

2.3 勘探結(jié)果

1) 柱內(nèi)巖石破碎，多具有棱角狀；

2) 柱內(nèi)巖層均為上覆地層，在柱邊常見本層巖石；

3) 充填物多為泥砂物或煤屑、煤泥，充填于巖塊之間；

4) 柱內(nèi)壓實程度不等，有的較為密實，有的松散易垮落，淺部發(fā)育陷落柱柱內(nèi)壓實程度高于深部所見陷落柱；

5) 陷落柱在空間上呈倒漏斗狀，上小下大，塌陷角一般為60～85°，平均75°；

6) 陷落柱易導(dǎo)水。

因此，為了確保注漿的效果，必須對陷落柱進(jìn)行治理。

3 陷落柱治理方案

在陷落柱頂部利用多分支定向井下骨料注漿形成底托，對陷落柱影響帶邊界進(jìn)行注漿加固，并對奧陶系灰?guī)r注漿加固改造。采用下行探測、分段注漿的原則，保證阻水塞厚度不小于30 m，形成阻水塞[1]。

3.1 鉆井方案

設(shè)計鉆井9個，直井1個，定向井8個(其中注漿定向孔6個，注漿效果檢驗及補強鉆孔2個)，設(shè)計工作量5 960 m，治理工程部署見圖4。

圖4 治理工程部署

采用三開井身結(jié)構(gòu)，一開采用D311.1 mm牙輪或者PDC鉆頭，鉆進(jìn)至表土層以下40 m，下入D244.5 mm×8.94 mm鋼級J55的表層套管，固井水泥返至地面；二開采用D215.9 mm PDC鉆頭鉆進(jìn)至15煤以下10 m，下入D177.8 mm×8.05 mm鋼級J55的套管；三開采用D152 mm PDC鉆頭鉆至設(shè)計層位，裸眼不下套管。

3.2 注漿工藝

首先鉆進(jìn)至目的層，遇到大漏失、大裂隙甚至空腔時進(jìn)行填骨料，根據(jù)空腔、裂隙大小選擇不同顆粒直徑的骨料，現(xiàn)場進(jìn)行試驗，空腔較大時可以先注入米石、面沙等，采用先粗后細(xì)的次序，然后在水泥漿中摻入鋸末、棉籽殼等注入，采用間歇式注漿，最后用水泥水玻璃漿液封堵，在奧陶系灰?guī)r處形成一個底托。在底托(注漿下邊界)形成之后，采用定向孔對陷落柱邊界進(jìn)行探查注漿，漿液不易往奧灰中流失，利于漿液橫向擴散以及向上擴散，形成一定厚度的“堵水塞”。定向井中注漿壓力不易過大，注漿終壓8 MPa為宜(壓力過大不易形成底托)。

注漿材料為32.5硅酸鹽水泥，其質(zhì)量應(yīng)符合國家GB175-2007標(biāo)準(zhǔn)，不得使用受潮結(jié)塊或過期的水泥[2]。

根據(jù)注漿需要可采用水泥-水玻璃漿雙液漿，水玻璃模數(shù)宜為2.4～3.0，濃度宜為30～45波美度，在現(xiàn)場進(jìn)行注漿配比試驗，確定不同配比的材料摻入量及其漿液比重、凝結(jié)時間等性能指標(biāo)[3]。

水泥單液漿中可加入0.03%～0.05%三乙醇胺和0.3%～0.5%食鹽作為早強劑[4]。

漿液比重和配比：漿液比重1.3～1.5，特殊情況可調(diào)高至1.6。水灰比分別為2.0∶1，比重1.29；水灰比1.4∶1，比重1.39；水灰比1.0∶1，比重1.51；水灰比0.8∶1，比重1.60。原則上要先稀后濃，進(jìn)行注漿作業(yè)[5]。

3.3 陷落柱治理檢驗

注漿完成后，利用CC23-B11鉆孔井場實施2個定向鉆井穿過陷落柱，探查陷落柱封堵情況(見圖5)。

圖5 治理工程示意

經(jīng)檢驗，陷落柱處理效果良好，其填充物的凝結(jié)性和導(dǎo)水性得到了有效控制，在進(jìn)行注漿作業(yè)時不會形成串液。

4 結(jié) 語

綜上所述，為了確保2311工作面上覆巖層離層注漿的有效性，在對DX22-4陷落柱進(jìn)行處理后，陷落柱附近的注漿孔進(jìn)行注漿作業(yè)時不會出現(xiàn)串液現(xiàn)象，可達(dá)到有效控制地表沉陷的效果。