超深孔分段注浆技术在破碎陷落柱加固中的应用

张 晋

（山西晋煤集团赵庄二号井，山西 长治 046608）

我国煤矿地质条件复杂多样，主要体现为地质构造广泛发育，地质构造是影响矿井安全高效开采的重要因素，多数矿井灾害的发生均与地质构造的存在有关。陷落柱[1-3]是华北地区广泛发育的地质构造，对工作面安全开采影响巨大，部分陷落柱内部岩体破碎，极易引起煤壁片帮和冒顶，需对其进行治理，以保证工作面正常回采。

1 工程概况

赵庄二号井2307 工作面位于井田西翼盘区，工作面北侧为2309 工作面（正在回采），西侧为2103、2104 集中巷（已掘完），南侧为实体煤，东侧为2301、2303 工作面（已采完）。工作面走向长859.8 m（帮-帮），工作面倾斜长度为175.7 m（帮-帮）；工作面煤层底板标高+465～+495 m，地面高+958～+973 m。开采3#煤层，煤层厚3.8～5.1 m，平均厚4.35 m；煤层倾角为1°～5°，平均为2°。煤层直接顶为粉砂质泥岩，厚度为10.78 m；基本顶为砂岩，厚度为11.81 m；直接底为泥质粉砂岩，平均厚度为 4.05 m，平均抗压强度30.2 MPa，平均抗拉强度1.0 MPa。根据物探和钻探结果可知，2307 工作面内部存在多个断层和陷落柱，均为弱导水和弱富水，其中X44 陷落柱（长轴60 m，短轴42 m）内部及煤岩交接处区域严重破碎，极其容易造成片帮、冒顶等事故，影响工作面安全生产。

2 陷落柱加固方案

2.1 加固范围

根据以往生产经验，工作面在回采通过陷落柱时的主要问题有：（1）工作面在进出陷落柱时，由于煤岩交界处煤岩体破碎，极易出现煤壁片帮及冒顶；（2）工作面进出陷落柱后，由于陷落柱内部为破碎胶结块体，承载能力弱，煤壁易片帮，特别是在顶板和煤壁的交接处，煤壁片帮导致支架前方出现空顶，顶板破碎时出现冒顶现象。

因此，在平面投影范围内，需对陷落柱边缘煤岩交界处进行加固，加固范围扩大5 m，沿工作面推进方向的加固范围为回采676～745 m 处共70 m，23071 巷帮往工作面里53 m，如图1。为了保证工作面顶板和煤壁的稳定，需对工作面顶板和煤壁同时进行加固，通过对煤壁注浆加固，提高煤体完整程度和承载能力，减小煤壁片帮量，可以有效减小漏顶的发生概率；对顶板加固可提高顶板完整性、抗压性，减少漏顶、冒顶，确保回采顺利。

图1 平面注浆加固范围

2.2 加固方法

为了保证注浆加固效果，结合水泥浆注浆情况，陷落柱注浆加固采用钻孔分段施工、分段注浆的施工工艺，每次钻进20～30 m，根据钻孔深度确定。

2.3 钻孔布置

结合2307 工作面回采情况，确定本次陷落柱注浆加固钻孔分上下两排布置，上排钻孔距23071巷底板2.5 m，下排钻孔距23071 巷底板1.7 m，每排钻孔的间距均为2 m，如图2。先施工下排钻孔，自远离工作面侧开始编号，上下排孔各布置37 个，分单双号布置。单号钻孔水平施工，孔深53 m；双号钻孔按照仰角7°施工，孔深25 m。下排钻孔施工完再施工上排钻孔，均按照仰角3°施工，孔深53 m。钻孔轨迹如图3。

图2 注浆钻孔布置示意图

图3 陷落柱加固注浆钻孔轨迹示意图

上下排钻孔均先采用113 mm 的钻头施工4 m，安装2 m 长Ф108 mm 的孔口管，注浆固孔后，再采用89 mm 钻孔施工。25 m 钻孔为一次施工到位后注浆；53 m 钻孔分两次施工，首先施工30 m，并进行注浆加固，然后再扫孔并施工至设计深度53 m。其中上排钻孔陷落柱边缘区域，即上排孔的1～9#和28～37#钻孔成孔后，安装直径为50 mm 的棚管，长度50 m，并进行注浆加固；其余钻孔均安装直径为32 mm 的PVC 管，长度为52 m，并进行注浆加固。

2.4 注浆材料

本次注浆以纯水泥浆为主，水泥为52.5 级，浆液水灰比可按2:1/1:1 依次进行，根据裂隙发育程度具体确定。注浆过程中出现漏浆等情况时，采用水泥—水玻璃双液浆，水玻璃浓度为30～40 °Bé，模数为n=2.4～3.4，水泥浆和水玻璃体积比例为1:0.8～1:0.4，凝胶时间为1～3 min。

2.5 注浆压力

根据以往注浆实践经验，结合X44 陷落柱前期探测和注浆钻孔施工揭露情况，确定终注压力达到10～15 MPa，稳压12～30 min，泵量Q ≦30 L/min。

3 工程量及效果分析

3.1 工程量

本次注浆先施工下排钻孔，再施工上排钻孔。下排总计施工25 m 孔19 个，53 m 孔18 个，总进尺1429 m；上排钻孔施工37 个，采用循环作业施工，总计进尺3441 m。上下排总计74 个钻孔，共计消耗水泥60 t。

3.2 效果考察

2307 工作面回采通过X44 陷落柱期间，对陷落柱影响区煤壁片帮情况和顶板漏顶情况进行观测分析，工作面揭露陷落柱位置与探测确定陷落柱影响区基本一致。距陷落柱约8 m，工作面煤壁有局部片帮情况，深度小于300 mm，顶板有轻微漏顶现象，通过加强工作面支架管理，能够安全通过，不影响工作面安全回采。工作面进入注浆加固区后，直至通过陷落柱注浆加固区，工作面煤壁整体性良好，未出现大范围片帮现象，仅出现个别小范围片帮，最大片帮深度小于500 mm，范围约2 架。在通过陷落柱期间，未出现明显漏顶现象。试验表明，通过深孔注浆能够有效加固破碎煤岩体，棚管支护能够起到加固工作面顶板的目的。

4 结论

（1）根据探测显示X44 陷落柱位置，确定陷落柱影响区水平方向和垂直方向的注浆加固范围及加固方案。水平方向对陷落柱两侧各5 m 范围以及距巷帮侧柱边均进行加固，垂直方向采用上下两排钻孔，分别对工作面顶板和煤壁进行注浆加固。结合工作面进出陷落柱时煤岩破碎易冒顶的问题，采用棚管加强对顶板的控制。

（2）确定了陷落柱注浆加固钻孔布置参数，采用水泥浆液进行现场注浆加固试验。效果考察表明，通过分段注浆加固后，工作面通过陷落柱影响区期间，工作面煤壁平整，仅局部区域出现小范围片帮现象，最大片帮深度500 m，顶板未出现明显漏顶现象，实现了工作面安全过陷落柱。