王莊煤礦工作面過陷落柱注漿加固技術研究

申李華

(潞安環能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046032)

巖溶陷落柱在潞安礦區普遍發育，并且其孤立存在、隱蔽性強、空間形態不規則。由于陷落柱周圍形成塑性破壞區，圍巖不穩定，工作面直接通過陷落柱存在冒頂的危險，工作面搬家將嚴重影響生產，制約著煤炭安全高效開采[1-2]。目前，工作面直接過陷落柱主要采用注漿控制其周圍破碎圍巖穩定，其中注漿孔的布置方案是關鍵因素。注漿孔的布置需要根據陷落柱周圍塑性破壞區范圍確定。近年我國學者在陷落柱破壞范圍及其穩定性等方面進行了研究[3-7]，并取得了一定的研究成果，為王莊煤礦陷落柱注漿方案設計提供了重要指導。本文針對王莊煤礦9105工作面開采過程中要過H49陷落柱和H50陷落柱，根據陷落柱周圍破碎區的范圍提出了注漿加固方案，并進行現場應用，有效控制了陷落柱圍巖穩定性，工作面安全通過兩個陷落柱。

1 工程背景

1) 9105工作面陷落柱產狀及參數。王莊煤礦9105工作面H49陷落柱和H50陷落柱產狀如圖1所示。H49陷落柱和H50陷落柱不規則，H49陷落柱長軸約為100 m，短軸約為80 m，H50陷落柱長軸約為55 m，短軸約為30 m。

圖1 9105工作面H49陷落柱和H50陷落柱產狀平面圖

2) 9105工作面鉆探陷落柱突水隱患。鉆孔接近陷落柱邊緣，孔內涌水時，攜帶破碎的巖石塊的顆粒涌出，由小逐步增大，初始涌水量達到50 m3/h，孔內涌渣3～5 m3/h，涌渣隨著時間的推移增大至15～25 m3/h。少數鉆孔探陷落柱由于陷落柱內的空隙度較大，揭露陷落柱時直接發生突水事故。工作面回采揭露陷落柱突水大小根據揭露的圍巖面積及陷落柱內的破碎巖膠結程度密切關聯，突水的大小與揭露處的壓差，水源補給通道，區域性的富水強弱水位導高，水文地質條件，涌水通道擴充環境順暢情況等綜合因素息息相關。

2 陷落柱周圍塑性破壞區范圍理論分析

為能夠計算出其解析精確解，將王莊煤礦H49陷落柱和H50陷落柱看作一個僅受自重的圓柱體，則在距陷落柱頂Δh位置的應力為：

σr=σθ=λγΔh
σz=γΔh

(1)

式中:σr、σθ、σz分別為徑向、切向、垂直應力，MPa；γ為巖石容重，KN/m3；λ為側壓系數。

取陷落柱任意水平截面，這樣轉化為平面應變問題，如圖2所示。

圖2 陷落柱周圍破壞區半徑力學模型圖

假設水平方向應力相等，由Hoek-Brown準則可知，徑向應力σr和切向應力σθ滿足平衡方程[8]：

(2)

(3)

聯立公式(2)、(3)解得：

σr=mσc(lnr+C1)2/4-sσc/m

(4)

式中：m為巖石軟硬程度；s為巖石完整程度；σc為單軸抗壓強度，MPa。

將邊界條件：r=r0,σr=λγΔh，帶入公式(2)、(4)，得徑向、切向應力的表達式：

(5)

(6)

在塑性區外邊界上徑向應力σr和切向應力σθ滿足方程：

σr+σθ=2σ0

(7)

式中：σ0為埋深H的原巖應力，MPa，σ0=γH。

將公式(5)、(6)代入公式(7)計算得陷落柱塑性區半徑R0：

R0=r0eα

(8)

其中：

c=(24λγΔh-8σ0)/mσc+(16s-m2)/m2

d=(16λγΔh-16σ0-4mσc)/mσc

f=c2-3bd+12i

g=-b3+4bc-8d

i=(4λγΔh-4σ0)/mσc-4s/m2

l=2c2-9bcd+27d2-72ci

根據王莊煤礦9105工作面生產地質條件，將各項參數代入公式(8)得，H49陷落柱周圍破碎區的范圍大約為22 m，H50陷落柱周圍破碎區的范圍大約為15 m。這將為現場注漿方案設計和注漿鉆孔布置提供重要的理論依據。

3 陷落柱現場注漿工藝方案

3.1 注漿區域確定

底板控制深度55 m，頂板控制深度40 m，H49陷落柱周圈外控制不低于22 m，H50陷落柱周圈外控制不低于15 m；底板孔逐步段落性向深部延伸；施工中鉆孔鉆探后隨時進行注漿加固。

3.2 注漿加固方案

注漿加固要達到預期效果，必須兩部鉆機同時交叉進行打鉆注漿。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出現兩個及多個注漿孔同步注漿，每個鉆孔施工中出現5 m3/h水量以上的，起初鉆具隨時注漿，反復透孔注漿均達到結束標準。在施工過程中，在安全條件允許下適當調整注漿壓力。終孔進入陷落柱邊緣內以充填置換模式注漿，控制區段長均要根據注漿擴散影響半徑效果及時調整。如出現廢孔在其位置周邊必須補打孔，禁止出現缺失鉆孔，要求打一孔注一孔，均穩定壓力3.58～5.61 MPa，穩壓時間均為30 min。如孔距相互不影響的情況下可以邊打邊注，結合承壓變化情況靈活掌握。

當達到注漿結束標準時，最后再向孔內壓一定的清水，將管路清洗干凈，關閉注漿孔閥門，8 h后可打開閥門，觀測孔內是否還有涌水。9105工作面風巷H49陷落柱和H50陷落柱采用納米基注漿材料的具體施工加固方案如圖3和圖4所示，具體鉆孔參數見表1和表2。

表2 H50陷落柱注漿孔參數

圖3 H49陷落柱注漿鉆孔平面圖和剖面圖(mm)

圖4 H50陷落柱注漿鉆孔平面圖和剖面圖(mm)

表1 H49陷落柱注漿孔參數 m

3.3 施工質量要求

3.3.1 鉆孔工藝

1) 開孔徑D113 mm鉆至預定位置，下入一級套管至孔底，壁后灌入充填水泥和速凝劑材料，凝固時間達到要求后，透孔至孔底，孔口安裝測壓系統，孔口壓力要分別大于預測壓力的2～3倍即3.58～5.61 MPa，穩壓時間超過30 min，試驗周邊無卸漏水，壓力穩定合格后方可繼續鉆進。

2) 如需下二級控水管鉆孔二開換徑D94 mm鉆至預定位置，下入二級D89 mm控水管翻漿固管達到要求后透孔做耐壓試驗，孔口壓力要分別大于水壓的2～3倍即3.58～5.61 MPa，穩壓時間超過30 min，試驗合格后方可換徑D75 mm繼續鉆進至終孔。

3) 鉆至終孔位置透水過程中，嚴禁大量放水，必須及時注漿封堵。

4) 套管的長度結合實際地質水文條件而定，套管測試壓力均要根據套管長度合理而定；套管連接頭必須使用專用密封膠均勻涂抹絲扣，嚴防泄露。

5) 鉆進時給壓均勻，速度壓力根據巖性合理選定。

6) 鉆頭優選現代較先進的復合片鉆頭、孕鑲鉆頭等；每種規格要有3～5個鉆頭相互交替使用直至任務完成，每次更換鉆頭前禁止出現錐形鉆孔段，換徑時必須有導向設施。

7) 未到放水位置前安裝好套管及孔口防噴裝置，嚴防遇大水時造成不必要的影響。

3.3.2 控水套管試耐壓

1) 一級套管規格D108 mm長度10 m，灌注漿后凝固時間達要求，掃孔入底，鉆進0.5～1 m，方可做耐壓試驗。

2) 安裝孔口套管法蘭盤和測壓裝置(包括測壓盤、安全三通或四通，分水閥門，壓力表，注水連接口)或用泥漿泵綜合觀測；壓力表按測值標準使用，要大于施工壓力的1/3。

3) 與泥漿泵連接好后打開分水卸壓閥門，啟動泥漿泵最低檔位視水量穩定時方可開始緩慢關小分水口的出水量；當分水量逐漸變小水壓逐步上升至大于3.58～5.61 MPa穩定時，停止分水控制閥。

4) 穩定壓力時間不少于30 min。

5) 套管未出現位移，無滲漏，周邊底板未出現新涌水點，無底鼓、幫鼓、冒頂現象，壓力穩定，為合格。

6) 二級套管程序基本同上，測試壓力為3.58～5.61 MPa，均按注漿方案要求實施，根據實際情況及時調整。

4 陷落柱注漿控制效果及建議

4.1 現場注漿效果

9105工作面風巷H49陷落柱煤層頂、底板注漿加固施工25個孔，鉆探進尺2 035 m，下套管381 m，固管水泥13.45 t，速凝劑266.2 kg，注納米基水泥196.7 t，注漿壓力均大于4 MPa。在9105工作面運巷H50陷落柱煤層頂、底板注漿加固工程施工31個鉆孔，鉆探進尺2 020 m，套管總長度為465 m，使用納米基水泥211.2 t。通過現場注漿施工，9105工作面安全通過H49陷落柱和H50陷落柱，沒有發生冒頂、片幫和壓架等安全事故。同時避免了工作面搬家造成的損失，安全、經濟效益非常顯著。

根據現場鉆孔施工及鉆孔巖性判別，陷落柱的形態和輪廓邊緣整體性膠結相對較好；根據鉆孔施工鉆進速度以及個別鉆孔在注漿時發生煤墻裂隙跑漿現象，說明該陷落柱內的孔隙比較豐富及周圈裂隙相對比較發育；陷落柱內充填物主要為泥巖、砂巖和煤層組成，巖性松軟，膠結性差，整體性弱。工作面回采過陷落柱時應加強頂底板支護，快速通過。

4.2 現場開采建議

1) 經過注漿加固，雖然煤層層位頂、底板巖層膠結為一相對的整體，但因凝固時間較短，掘進通過陷落柱時必須加強頂板管理。

2) 工作面回采通過陷落柱時應加快推進速度，防止因推進速度慢導致應力集中，造成架前頂板垮落或底板陷落。

3) 工作面回采期間應配備不小于預計最大涌水量的排水設備。同時加強觀測，發現有透水征兆時，應當立即停止受水害威脅區域內的采掘作業，撤出作業人員到安全地點，采取有效安全措施，分析查找透水原因。

5 結 語

1) 建立了王莊煤礦陷落柱周圍破碎區范圍的理論模型，通過力學分析和王莊煤礦的生產地質條件確定了H49陷落柱和H50陷落柱周圍破碎區的范圍，為現場注漿方案設計和鉆孔布置提供了理論指導。

2) 給出了H49陷落柱和H50陷落柱現場注漿加固方案、注漿參數及施工要求等重要參數，通過現場注漿施工，9105工作面安全通過H49陷落柱和H50陷落柱，沒有發生冒頂、片幫和壓架等安全事故。同時避免了工作面搬家造成的損失，安全、經濟效益非常顯著。