注浆加固法在治理煤矿岩溶陷落柱的应用

陈引锋，马长玲，魏奥林

（陕西能源职业技术学院，陕西咸阳712000）

高河井田开采3号煤层，井田内含煤地层埋藏较深，奥陶系中统灰岩含水层岩溶较发育，含水较丰富，水质较好[1]。其地质构造情况相当复杂，断层与陷落柱尤为发育，在对煤层及顶板破碎区进行加固治理的经验基础上[2]，进一步对异常区Ⅱ陷落柱进行注浆加固，保证了W1309工作面安全回采，效果显著，值得推广。

1 地质概况

1.1 地质构造概况

高河井田所属的潞安矿区位于华北断块区吕梁—太行断块沁水块坳东部次级构造单元沾尚—武乡—阳城NNE向凹皱带中段，晋（城）—获（鹿）断裂带西侧，主体部分叠加长治新裂陷。

井田内地层总体走向近SN-NNE向，东高西低。在次基础上发育有近SN、NNE向2组宽缓褶曲，沿走向及倾向伴有落差大小不一的断层19条，其中落差大于20m的6条，大于10m的6条，10m以下落差的断层7条。

井田内发现的7个陷落柱,多集中分布于井田西部，断层附近或构造复合部位。其中，采区内陷落柱主要集中在补勘区西部4km2范围内，具有成群性及带状分布特点。其平面形状以椭圆形为主，剖面形态均为下大上小形，塌陷高度一般在200m以上，煤层陷落深度不等，陷落柱对褶曲具有一定程度的改造作用，对其附近的煤层影响范围一般不超过50m[3]。

1.2 水文地质概况

根据前期三维地震勘查、井下实际钻探以及实际揭露情况，该异常区Ⅱ陷落柱在W1309进风顺槽10号横贯向西3m左帮处揭露6m，均为贴着左帮处揭露，距切眼距离983～1058m，陷落柱内富水，填充物主要为中、粗粒砂岩，块状，且大小不等，堆积无序，圈定该陷落柱范围，长轴为近东西方向，长度41m，短轴为近南北方向，长度27m，面积940.7m2[4]。

根据钻探出水情况，预计该陷落柱与3号煤下K2灰岩形成导水。现陷落柱出水量在2m3/h，预计打钻过程中，单孔最大涌水量为60m3/h。

1.3 工作面概况

W1309工作面切眼长度为320m，工作面可采长度为1776.5m，位于西一盘区中南部，北侧为W1308工作面，南侧为W1310工作面，西侧为井田边界，东侧为+450m水平南翼辅运大巷。

本次施工地点位于W1309工作面进风顺槽内距切眼983m处，距进风10#横贯前后75m范围内，该巷道宽5m，高3.5m，均为大板棚支护，锚网棚距900m。

该工作面整体是一个单斜构造，煤层底板标高呈两端低、中间高的变化趋势，一般倾角为3°～15°，平均8°。3号煤层赋存于二叠系山西组地层中，为陆相湖泊型沉积，煤层厚度稳定，煤厚6.44m，全煤间夹有一层炭质泥岩夹矸，厚度0.12～0.20m[4]。

2 充水条件分析

3号煤层的直接充水含水层为顶板砂岩裂隙含水层，单位涌水量为0.0075L/（s·m），富水性较弱，井田内总体构造相对简单，即二类一型。井田的北部及东北部由于3号煤层埋藏向北东逐渐变浅，甚至隐伏出露，受到基岩风化带和松散层含水层等的影响，水文地质条件将趋于复杂。井田北部及中、南部存在断层、陷落柱，受构造的沟通作用，这些地段的水文地质条件趋于复杂。

3号煤层与奥灰水之间一般有100m的地层阻隔，对煤层开采影响不大。在构造的影响下，局部地段3号煤层与奥灰水的间距缩短，甚至与奥灰水直接接触，如二岗山南断层等及陷落柱附近，奥灰水也可能成为3号煤层的充水水源[3]。

3 陷落柱注浆处理

3.1 注浆方案

利用井下注浆站进行造浆，通过注浆管路向注浆孔进行注浆。注浆方式采用一次性钻进至设计位置，从孔底采用上行分段注浆方式，逐层向上进行注浆，分层分段加固,以最大量注浆、最大范围的扩散、最大限度的充填为目的，采用连续注浆。当发现巷道底板跑、窜浆时可采用间歇注浆。

3.2 钻孔布置及结构

本次钻探共施工42个钻孔，只考虑对煤层底板水平方向外推约15m范围进行注浆改造,钻孔均位于W1309进风顺槽内，沿巷道方向平行均匀布置，钻孔方位均垂直于巷道南帮。总长度2701.5m；其中，终孔垂直深度为60m的钻孔采取分段注浆，在钻至垂直深度为30m时，第一次注浆，成孔后进行第二次注浆，需要透孔检查，透孔总长为1083.5m。预计注浆量4000m3水泥浆。

工作地点原有26个陷落柱探查孔，其中顶板孔2个，底板孔2个，平孔22个，另有瓦斯抽放孔5个，均未下套管，总共31个钻孔。孔径∅94mm，钻孔目前仍有出水现象，终孔深度45～150m不等，在注浆前需对上述钻孔进行注浆封堵。

陷落柱注浆所有钻孔倾角均为负角度，钻进范围在煤层底板，终孔孔间距20～30m，开孔孔径∅133mm，终孔孔径∅75mm。开孔位置均在W1309进风顺槽底板，开孔高度距煤层底板1.0m左右[4]。具体技术参数见表1。钻孔布置平面图剖面图见图1、图2。

表1 W1309进风顺槽异常区Ⅱ陷落柱底板注浆钻孔设计参数表

3.3 注浆材料与注浆参数

本次注浆工程主要采用单液浆。水泥采用42.5R普通硅酸盐早强水泥，由于孔口管固结破碎段，须采用双液浆（水泥浆加水玻璃）进行注浆固结，水玻璃模数宜为2.4～3.0，浓度宜为30～45Be。

根据注浆堵水目的层的水文地质条件经验确定浆液扩散半径为10～15m。

底板注浆压力按如下公式确定：Pc=P0+1.0

式中：Pc——注浆压力，MPa；

P0——注浆孔静水压力，奥灰水标高+660m，底板标高+490 m，取值1.7MPa；

1.0——富余压力，MPa。

最终确定本次底板注浆压力为3.0MPa。

3.4 施工技术与施工工艺

注浆孔为斜孔结构，在W1309工作面回风顺槽临近陷落柱段进行施工。孔口管长度为10m，并在上面安设阀门，阀门的最大抗压能力不小于4MPa。下套管时必须进行耐压试验，耐压试验的压力不小于4MPa。

根据钻孔出水水压，孔口下直径∅73mm止水套管10～20m止水套管，采用高水固化胶结充填材料进行注浆固管，试压合格后，方可进行注浆封堵。顶板孔和出水钻孔需用直径∅89mm的止水器进行止水，然后再进行注浆封堵。孔口安设高压阀门和注浆盘。

根据压水试验结果，确定浆液类型及其浓度。一般须先用稀浆进行试注，了解该孔吃浆量大小；同时井下观察是否跑浆及跑浆时间或其他异常情况，观测相邻钻孔是否窜浆，奥灰水位变化等情况。根据以上情况分析，再决定调整浆液浓度。

图1 W1309回风顺槽异常区二陷落柱底板注浆钻孔设计平面示意图

图2 W1309回风顺槽异常区二陷落柱底板注浆钻孔设计剖面示意图

另外，要对压水试验及注浆过程进行详细记录。按照注浆班报记录表的格式如实测定并记录每罐浆液的比重、泵量、泵压、孔口压力等参数；及时汇总注浆量资料、注浆前后压水试验资料，分析注浆效果，为下一步施工提供依据。

当达到注浆结束标准时，最后再向孔内压一定的清水，将管路清洗干净，关闭注浆孔阀门，8h后可打开阀门，观测孔内是否还有涌水。

严格规范钻孔质量，终孔的角度误差不能超过1°。

3.5 单孔注浆结束标准

（1）注浆压力。根据以往注浆经验，注浆总压应不小于受注含水层最大静水压力的2倍。陷落柱处煤层底板标高为+493m，奥灰含水层水位标高为+660m，该处底板承受的奥灰水压为1.67MPa，据此初步确定压力增量ΔP取2.0MPa，注浆终压不大于3.67MPa。即当孔口压力达到以上值时，即可认为该受注层段注浆已达到压力结束标准。

（2）注浆量标准。当注浆压力达到结束标准后，应逐次换档降低泵量，直至泵量达到50L/min，并维持30min。

（3）单位吸水率标准。在注浆量达到要求后，每个孔必须进行压水试验（试验压力为结束压力的80%），并求解单位吸水率q，确定是否继续注浆。当单位吸水率小于标准值0.01L/（min·m·m），就表明陷落柱内空隙及裂隙已达到充填加固，切断了奥灰及太灰水进入煤层的通道[4]。

4 治理效果

由于此次工程为正在回采的工作面，注浆结束后仍然要进行回采工作，因此，对注浆效果的验证尤为重要[5]。

（1）当单位吸水率小于标准值0.01L/（min·m·m），就表明陷落柱内空隙及裂隙已达到充填加固，切断了奥灰及太灰水进入煤层的通道。

（2）探查孔水压水量对比。在注浆过程中，观测探查孔的水量和水压，均有明显减小的现象。

（3）注验孔岩芯质量对比。在施工探查1和探查2的过程中均发现了被水泥充填过的岩芯，说明此次注浆的浆液已经充填到了陷落柱裂隙当中，降低了陷落柱的导水性。

5 结语

本工程在分析研究1309工作面异常区地质条件和生产工艺基础上，借鉴以往工程经验，按类比法进行施工参数设计，取得了良好的效果：

首先，采用注浆改造方案，其优点在于工作面不用搬家，无须另掘巷道，工作面内丢煤量大幅度减少，提高了工作面煤炭回采率,同时降低了采空区煤炭自燃发火率。

其次，通过对W1309进风顺槽异常区Ⅱ进行注浆加固，增强了其抗压能力，提高了围岩的强度与稳定性；在W1309工作面内通过对Ⅱ陷落柱水平方向外推约15m范围的煤层底板进行注浆改造，充填导水裂隙及含水层，达到了防治水的目的；有效地切断陷落柱沟通奥灰以及其他各含水层的导水通道，防止发生底板突水事故，从而保证矿井安全生产顺利进行。

[1] 山西省煤炭地质114勘察院.潞安矿区高河井田勘探地质报告[R].2005.

[2] 魏军贤，王安舍，申文彪.注浆加固技术在煤矿综放回采中的应用[J].矿业安全与环保，2010，37（1）：69-71，74.

[3] 中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司.高河矿井修改初步设计[R].2011.

[4] 焦作市恒利水文地质工程有限责任公司.高河w1309进风顺槽异常区Ⅱ陷落柱注浆工程施工安全技术措施[R].2014.

[5] 赵永强，刘彦俊.导水陷落柱井下探查与治理[J].中国煤炭地质，2013（5）：4-7.