新元矿9104工作面过陷落柱注浆加固技术应用研究

王明明

（山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 030600）

1 工程概况

山西新元煤炭有限责任公司所属9104综采工作面地表位于韩庄村以北，清平镇以东，南燕竹以南，冀家垴村西的黄土塬、黄土峁及沟谷地带。井下北邻9#南回风大巷、9#辅运大巷，东邻9103回风巷，上部为3#煤3204综采工作面（已采完）、3205综采工作面（已采完），其他方向均未布置巷道。

受区域构造影响，井田总体为一走向近WE、倾向S的单斜构造，在此基础上发育次一级的宽缓褶曲构造，地层倾角较平缓，倾角2°～9°。相对全井田而言井田中部地层较陡，井田内褶曲、断层以及陷落柱较发育，井田内褶曲属宽缓型褶曲，断层较少，并且规模较小。经过上覆的3#煤层的开采发现断层基本上不影响采区的划分及工作面的推进，而陷落柱在采区内成群出现，在开采设计阶段造成了一定程度的影响。3#煤层开采过程中，陷落柱导致煤岩体破碎严重，并且常有地下水导出，在生产过程中必须密切关注陷落柱的威胁[1]。9104综采工作面回风顺槽掘进过程中揭露一处陷落柱，陷落柱区域内煤岩体破碎严重，并且巷道底板处有大量的地下水涌入掘进工作面，经过长时间的抽排才能进行正常的巷道掘进工作。现在9104工作面即将进入回采阶段，需对工作面范围内的地质构造进行探测及治理。

2 工作面内地质构造情况探测

（1）观测点与发射点工程布置

此次对工作面内的地质构造进行探测，仪器选用WKT-E型无线电波坑道透视仪。在9104工作面的回风顺槽和运输顺槽内分别布置发射点、接收点，具体的布设情况如图1所示。发射点间距为50.0m，一个发射点对应10个接收点，接收点在另一侧的巷道内，间距10.0m。发射点发出电磁波在不同的接收点进行接收，形成一个扇形区域，当发现电磁波有异常时，可适当地增加接收点的个数，一个个相互交叉的扇形区域最终完全覆盖整个工作面区域。9014综采工作面长度为230m，推进长度为1330m，在两条巷道内一共布置56个发射点，588个接收点。

（2）探测的结果分析

经过对探测信息的解释，得到的结果为：工作面存在揭露陷落柱X2，预测陷落柱X1、X3、X4。其中，陷落柱X2长轴预计127m左右，不排除是多个陷落柱叠加而成，周围可能存在承压水聚集区，对回采有极大影响；预测陷落柱X1长轴预计31m左右，周围可能存在承压水聚集区，对回采有一定影响；预测陷落柱X3长轴预计49m左右，周围可能存在承压水聚集区，对回采有较大影响；预测陷落柱X4长轴预计121m左右，不排除是多个陷落柱叠加而成，陷落柱内松散的岩块裂隙内，很可能汇集了大量的地下水，严重影响工作面的回采；预测断层F1断距小于1/2煤厚，周围瓦斯含量可能高，对回采有一定影响；预测断层F2断距小于1/2煤厚，局部断距可能接近1/2煤厚，周围瓦斯含量可能高，对回采有一定影响。由于断层规模较小，在回采阶段不需要特殊处理。此外，工作面开采范围内还可能存在其他小型构造，对回采影响不大。

（3）井下钻孔探放水

为了进一步确认距离工作面开切眼最近处X2陷落柱具体的发育情况及含水性，参考以上工作面范围内陷落柱的无线电波坑道透的结果，在回风顺槽内通过钻孔对X2陷落柱进行探放水。钻场设计在距离切巷40m处，一共布置4组钻孔进行探测，由于篇幅有限，列出第一组钻孔的详细参数如表1所示。每组为5个探测孔，钻孔长度均为50m，倾角及方位角的变化使其成扇形布置[2]。

表1 钻孔参数特征表

经过4轮的探测，确认X2陷落柱长轴长度为98m，短轴长度为34m，倾斜向上的探测孔内涌水量较少，向下的钻孔内涌水量较大。根据9#煤层顶底板岩性，推测陷落柱内主要充水水源来自底板下部的奥灰水。经过对新元矿9104工作面内地质构造的探测，以及回风顺槽揭露的陷落柱处的地质状况，推测工作面推进过程中，由于采动的影响，造成煤层顶底板破坏深度较大。在陷落柱附近时，底板的破坏可能与陷落柱破碎区域导通，形成较大的导水裂隙，存在着涌水事故的风险，需要提前对陷落柱区域的煤岩体进行注浆加固。

3 注浆加固技术工艺

（1）注浆材料

高水速凝材料[3]是一种在水灰比较高的情况下快速凝固的特种水泥混合物。这类材料用水量较大，但是比较节约材料，将其分为甲、乙两个部分，分别加水搅拌形成浆液，并且不易凝固，但是甲乙混合后会迅速凝固。考虑到这种特性选用双液注浆系统注浆，使浆液在注浆位置进行混合，在围岩内迅速凝结，固化围岩。考虑到浆液固结强度及材料消耗等因素，选择注浆材料水灰比1.5:1。由于陷落柱周围的煤岩体破碎非常严重，裂隙发育较好，注浆孔深度的提高及围岩裂隙发育较好，决定选用较小的注浆压力，压力均为4MPa左右。

（2）注浆孔布置

根据探测的结果，由于陷落柱X2靠近回风顺槽这一侧，并且影响范围较大，设计布置6个注浆孔进行注浆加固。注浆孔的布置要使浆液更多、更均匀地渗透到破碎围岩内，参考相似矿井工作面注浆加固的钻孔布置方式，回风顺槽实体煤侧超前注浆时注浆孔的布置如图2。注浆孔间排距为3m，水平方向钻进，钻孔深度10m。

图2 注浆孔布置示意图

（3）注浆量估算及注浆管设计

根据陷落柱附近煤岩体的裂隙发育情况以及浆液柱形扩散理论对单孔注浆量进行估算：

式中：

R—浆液扩散半径，m；

L—注浆孔深度，m；

n—围岩裂隙率，根据轨道巷揭露的陷落柱位置，围岩体破碎情况n值为0.09；

α—围岩充填系数，根据实际情况取0.6；

β—浆液消耗系数，1.1～1.2。

根据9104工作面的地质状况计算结果为：56.3m3。实际注浆过程中，基本上每个注浆孔的注浆量都大于理论计算值，注浆管的形状是影响注浆效果的一个极为关键的因素，根据陷落柱距离巷道的位置，设计采用如图3所示的注浆管进行注浆。

图3 注浆管结构示意图

（4）施工工艺

在回风顺槽煤壁侧对X2陷落柱进行注浆加固，按照注浆孔的实际长度插入注浆管，从注浆孔底到孔口一次进行高压封孔注浆。由于注浆管在煤体内会影响回采工作面采煤机的破煤，因此单孔注浆完毕后应将注浆管抽出进行封孔。

① 打孔。按照设计的钻孔直径、长度等参数，一次打设注浆钻孔全长。

② 封孔。目前常采用的封孔工艺有：水泥砂浆封孔和自动封孔器封孔。由于封孔器对于注水钻孔的成孔质量有很高的要求，如孔壁平滑、孔内没有粉尘等，这导致封孔的质量严重受限，因此选择封孔泵注水泥砂浆封孔。

③ 注浆。各个注浆孔成孔后，逐个进行封孔。预先进行上部一排的注浆，注浆时通过下部孔内的涌水量来评估注浆的效果。当上部三个注浆孔注浆完毕后，如果下部注浆孔已经没有水涌出，即暂停注浆，根据工作面推进至陷落柱附近时的涌水情况再决定第二轮注浆是否需要进行。

4 工作面涌水量观测

为了考察超前注浆对于陷落柱的底板水害的治理效果，定期对回采过程中工作面内地下水的日涌出量进行观测、统计，得到的数据整理得结果如图4 所示。由图可知，随着工作面向陷落柱X2的推进，工作面内底板的出水量逐渐增加。当工作面进入到陷落柱区域内，涌水量维持在42m3/h，在工作面正常的排水能力范围内。即取得了较好的治理效果。

图4 涌水量观测结果图

5 结论

（1）运用WKT-E型无线电波坑道透视仪及在回风顺槽内对X2陷落柱的探放水，对9104回采工作面区域内的地质构造的发育情况进行预测，确定工作面X2的发育情况及含水性，为后期的生产设计提供依据。

（2）由于陷落柱的影响，使煤层中产生大量裂隙，煤岩体破碎严重，且工作面冒顶将会严重影响工作面的正常生产。通过在回风顺槽内进行陷落柱超前注浆加固，提高了煤岩体的弹性模量和整体强度。在工作面推进至该区域时，将地下水的涌出量控制在42m3/h，消除了陷落柱内承压水对工作面底板造成的危害。在加固后的工作面回采过程中顶底板围岩的完整性也得到了提高，整体来说取得了很好的治理效果。