综放工作面过陷落柱加固机理及注浆技术

徐 泽

（晋城煤业集团赵庄煤业，山西 晋城 048000）

赵庄二号井西翼盘区地质情况复杂，一个工作面回采期间至少需要通过3～5个大型构造，极易发生片帮、冒顶事故[1]。矿井一般采取两种处理办法：一种是临近或者揭露构造区时，在工作面切眼内向煤壁和顶板施工浅孔，注化学浆，但化学浆成本较高[2]，扩散范围有限，且需要工作面停采提供施工时间，停采将引起煤岩体破坏程度加剧；另一种是超前工作面一定距离，在顺槽内对构造区施工深孔，采用普通水泥预注浆，但普通水泥细度差、离析泌水、凝固及强度增长缓慢，注浆效果欠佳[3]。计划以赵庄二号井2309工作面过陷落柱为研究对象，分析陷落柱加固机理，探索预注浆加固技术，以期能够防止片帮、冒顶，保障工作面安全回采。

1 工程背景

赵庄二号井2309工作面开采3#煤层，走向长度1465.6m，倾斜长度155.7m，煤层平均厚度为4.2m，采用综采放顶煤后退式采煤法。工作面机采高度2.8m，放顶煤厚度1.8m。布置23091、23092两条顺槽，均沿3#煤层顶板留底煤掘进，巷道断面宽×高=5×3.1m。

在工作面回采过程中，将通过JDF69、F121、JDF70、F119断 层，JDX16、X40、X41、X42陷落柱等构造，如图1所示。矿方评估认为，过JDF69、F121、JDF70、F119断层对回采影响不大，X40、X41、X42陷落柱影响范围过大，计划绕过重开切眼，通过JDX16陷落柱时，将会对回采造成重大影响，必须进行加固处理。

JDX16陷落柱长轴60m（回采进度805～865m），短轴49m（距离23091巷46～95m）。

2 陷落柱失稳机理及加固方式

2.1 过陷落柱围岩失稳机理

陷落柱内部松散堆积，应力场与正常岩层明显不同，从里到外依次可以划分为应力降低区、应力升高区、原岩应力区。工作面过陷落柱，是工作面超前支承压力与陷落柱围岩支承压力耦合的发生、增强、变弱、结束过程，使陷落柱经历5个阶段，即：耦合前的应力正常阶段、进陷落柱边缘的应力升高阶段、到达陷落柱中部破碎区的应力降低吸收阶段、出陷落柱边缘的应力二次升高阶段、完全出陷落柱后的应力恢复阶段[4]。其中在应力升高阶段和应力二次升高阶段，将会对采场围岩产生重大影响，当围岩结构松散破碎、承载能力不足时，将会发生片帮、冒顶现象。构造与工作面位置关系示意图如图1所示。

图1 构造与工作面位置关系示意图

2.2 陷落柱加固机理

陷落柱加固根本在于提高内部破碎煤岩体的承载能力。注浆为一种有效手段，浆液以充填、渗透、劈裂等方式，驱走裂隙中的水分或空气，使裂隙煤岩体胶结成一个整体，改善物理力学性能，提高完整性，改善弱面的力学性能，提高裂隙的粘聚力和内摩擦角，增大岩体内部块体间相对位移的阻力，从而提高围岩的整体稳定性。

2.3 陷落柱注浆加固方式

以往采用的在切眼内进行化学浆浅孔注浆，根本上讲是一种应急措施，存在反应高温、成本较高、施工缓慢、影响回采等诸多问题。

近年来，晋煤集团开始专注于构造区超前深孔预注浆技术研究，即超前工作面一定距离，在两顺槽内向陷落柱施工深孔，采用高性能注浆材料进行注浆加固，钻孔覆盖面积大，施工时间充足，非常适宜工作面片帮、冒顶预防的需要。

构造区注浆分为两步：第一步为浅部裂隙封堵，采用速凝早强的注浆材料浅孔注浆，目的是封闭浅部漏浆通道，避免深孔注浆时大量漏浆；第二步为深部高压注浆，采用高强高渗注浆材料，在高注浆压力作用下，充分渗透加固。

3 注浆加固方案

3.1 加固范围

JDX16陷落柱长轴60m（回采进度805～865m），前后边缘各多加固10m，实际加固范围为80m（回采进度795～875m）。

3.2 深孔加固层位

根据“控帮立顶”加固思路，钻孔布置为上、下两排，下排孔加固层位为煤壁中上部，加固煤壁防止片帮；上排孔加固层位为煤壁上方0～3m的顶板，提高顶板完整性，防止冒落。

3.3 钻孔布置方案

（1）浅孔布置方案

钻孔上、下两排矩形布置，上排孔开孔高度距离底板2m，钻孔间距2m，垂直于煤帮；下排孔开孔高度距离底板1m，钻孔间距2m，垂直于煤帮。两顺槽各布置82个浅孔，孔深均为8m，孔径均为42mm。浅孔布置平面图如图2所示。

图2 浅孔钻孔布置示意图

（2）深孔布置方案

深孔钻孔参数主要依据上述分析的钻孔布置层位，在倾向剖面图上依次绘制出煤层起伏曲线、支架变坡曲线、钻孔，从而确定钻孔参数，如图3所示。由于煤层在走向和倾向上近水平，大大减小了钻孔设计难度。

图3 上、下两排钻孔加固层位示意图

深孔钻孔上、下两排，上排孔开孔高度距离底板2m，仰角2.5°，钻孔间距10m，孔径Ф75mm；下排孔开孔高度距离底板1m，仰角1.5°，钻孔间距10m，孔径Ф75mm，孔深均为80m。两顺槽各布置17个钻孔，钻孔布置平面图如图4所示。

图4 深孔钻孔布置示意图

3.4 注浆材料

浅孔注浆采用联邦加固（双液）注浆材料，分为A型和B型。使用时加水搅拌，水灰比0.8∶1，混合后约0～2min失去流动性，8～15min完全固化，2h强度超过10MPa，1d强度超过15MPa，能够有效封堵锚杆索孔、裂隙等浅部漏浆通道。

深孔注浆采用联邦加固（单液）注浆材料，细度1000～1200目。使用时加水搅拌，水灰比0.6:1，具备40min左右良好流动性，满足制浆、输送、扩散需要，超细化后浆液悬浮性好，不发生离析泌水，且能够进入微裂隙，40min之后逐渐胶凝，1d强度超过20MPa，3d超过40MPa。

3.5 注浆工艺参数

浅孔注浆压力2～4MPa，深孔以高压渗透注浆为主，终止压力15～20MPa。

4 工程量及效果考察

4.1 工程量

两顺槽共施工Ф42mm浅孔164个，进尺1312m，平均单孔注浆量0.2t，终止压力2～4MPa；共施工Ф75mm深孔34个，进尺2720m，平均单孔注浆量5t，终止压力15～20MPa。总计消耗注浆材料 202.8t。

4.2 效果考察

工作面在通过JDX16陷落柱后，揭露另一未探测到的构造区，未注浆加固。因此可以将地质正常区域、JDX16陷落柱区域、未注浆构造区3个区域回采情况作对比。

（1）片帮、冒顶统计

通过地质正常区域时，未发生冒顶，有轻微片帮现象，片帮深度300mm以内，连续架次不超过2架；通过JDX16陷落柱区域时，未发生冒顶，有片帮现象，片帮深度不超过500mm，连续架次不超过3架；通过未注浆构造区时，连续14架发生片帮、冒顶，片帮深度300～1000mm，冒顶高度200～800mm，工作面停采3d处理。

（2）工作面推进速度

通过地质正常区域时，平均推进速度3m/d；通过JDX16陷落柱区域时，平均推进速度2.2m/d，因需要处理陷落柱内大块矸核，影响推进速度；通过未注浆构造区时，片帮、冒顶问题严重，平均推进速度0.97m/d。

（3）经济效益

共消耗联邦无机注浆加固材料202.8t，充填裂隙空间约172.38m3，按照等体积换算，约相当于350t化学浆。化学浆按1.8万元/t，联邦无机注浆材料0.5万元/t，则本次注浆施工节省注浆材料费用为350×1.8-202.8×0.5=528.6万元，实施长度80m，平均每米节约注浆费用6.6万元。

5 结论

（1）陷落柱加固方式采用两顺槽超前深孔预注浆，注浆方式为浅部裂隙封堵和深部渗透注浆相结合。深孔下排孔加固层位为煤壁中上部，上排孔加固层位为煤壁上方0～3m的顶板，分别加固煤壁和顶板。

（2）介绍了联邦加固（双液）注浆材料和联邦加固（单液）注浆材料，前者用于浅孔注浆、深孔封孔，后者用于深孔注浆。

（3）通过JDX16陷落柱区域时，未发生冒顶，片帮深度不超过500mm，连续架次不超过3架，推进速度2.2m/d；通过未注浆构造区时，连续14架发生片帮、冒顶，片帮深度300～1000mm，冒顶高度200～800mm，平均推进速度0.97m/d。