综采工作面过陷落柱注浆加固技术应用研究

吴佐伟

（山西晋煤集团赵庄煤业，山西 长治 046605）

1 工程概况

晋煤集团赵庄矿1309 工作面回采3#煤，应用一次采全高的综合机械化采煤工艺，工作面走向长度为2753 m，倾向长度为219 m，煤层产状稳定，煤厚平均4.8 m，煤层倾角平均3°，为近水平煤层。工作面的直接顶为10.2 m 厚的砂质泥岩，基本顶为6.1 m 厚的细粒砂岩，直接底为7.3 m 厚的砂质泥岩，基本底为10.6 m 的粉砂岩。工作面的顶底板均是质地坚硬的岩层，比较稳定。工作面回采前，矿方通过槽波探测发现，在1309 工作面前方235 m 处有一处陷落柱，命名为JX97，完全覆盖13091 巷道，并且在工作面煤体覆盖最大深度近30 m，沿工作面的走向长约40 m。陷落柱形态位置如图1。

图1 陷落柱位置及形态示意图

2 注浆加固方案设计

注浆加固是一种常用的提高破碎煤岩体强度的方式。当连续介质中存在发育的裂隙时，在煤体承载过程中，会有较强的应力集中，在裂隙的端部最大[1-3]。注浆后，浆液能将裂隙填满，并且因为浆液可以将无法充填到的细小裂隙压密，会使煤体裂隙端部的应力集中减弱。此外，当陷落柱内部破碎时，就会由三向应力转化为两向应力，而注浆加固后能使煤体重新转换为三向受力状态从而增大破碎煤体塑性，进而增强煤体的强度[4-5]。因此根据地质条件设计合理的注浆加固方案能有效解决工作面过陷落柱的问题。

注浆加固的时机选择在工作面临近陷落柱时，加固范围是陷落柱走向前后各20 m，共80 m 范围。由于考虑采动影响对陷落柱产生扰动会使煤壁部分更破碎，计划首先实施浅孔注浆加固端头防止煤壁裂隙及锚索孔等形成漏浆通道，其次采用中深孔注浆的方式加固采煤机端头部分煤体，最后实施深孔注浆，提高陷落柱内部煤体的完整性。

2.1 注浆钻孔布置

（1）浅部注浆孔设计。浅孔注浆主要是加固工作面沿走向进出陷落柱的前后15 m 范围，共计70 m。注浆孔深设计为6～8 m，钻孔平行布置，间距为2.4 m，上下两排钻孔相距80 cm，上排钻孔距离顶板1.3 m，下排钻孔距离底板1.8 m，注浆孔垂直于煤壁。浅部注浆钻孔布置如图2。

图2 浅部注浆钻孔布置图

（2）中深部注浆孔设计。中深注浆钻孔的施工范围与浅孔注浆的范围一致，同样为70 m。钻孔沿着巷道帮部中线设计一排，距离顶底板均为2.2 m，钻孔直径选用94 mm，钻孔深度为20 m，钻孔角度6.5°，钻孔间距为3.6 m。

（3）深部注浆孔设计。深部注浆钻孔的施工范围是沿着工作面的走向，距离切眼215～295 m 的范围，即前后进出陷落柱各20 m，一共长约80 m。同样沿着巷帮中线布置一排，与中深部钻孔交叉布置，钻孔直径与中深部注浆钻孔一致，钻孔间距同样为3.6 m，钻孔的深度为50 m，钻孔角度为4.5°。深部注浆钻孔布置示意图如图3。

2.2 注浆材料选择及性能分析

根据设计注浆方案，需要选取相应的注浆材料。浅部注浆需要浆液快速凝结，深部注浆需要提高陷落柱内部的煤体完整性，提高其承载能力，因此注浆需要具备快速凝结、强度增长速度快、最终强度高等特点。根据需求，计划选择固邦注浆材料，该材料是单一无机组分，不会影响煤质，并且流动性强，结实率高，有较好的应用效果。

图3 深部注浆钻孔布置图

图4 注浆材料抗压强度增长特征

抗压强度是评价注浆材料性能的重要参考指标。因此，选择注浆材料水灰比为0.6:1，浇筑在70 mm 见方的模具中，脱模后放入标准水泥试样养护箱中，在温度20 ℃、相对湿度大于95%条件下，养护不同龄期分别为1 d、3 d、7 d 后，在DYE-300液压伺服试验机上测试其抗压强度。试验时首先要保证试样的端部以及压力机的压头平整，加载模式选择固定载荷控制，按照0.3～0.5 MPa 的加载速率，试样破坏卸载后立即关闭进液阀，停止加载。每种龄期各进行三次试验，取试样相应强度的平均值，并绘制注浆材料强度增长曲线，如图4。

由图4 可知，注浆材料1 d 的抗压强度约为18.5 MPa，初期强度增长较快；3 d 的抗压强度为28 MPa，单轴抗压强度增长速率降低；在养护7 d后试样的抗压强度约为32 MPa。由此可见，0.6 水灰比的注浆材料能满足三种注浆孔类型的注浆加固需求。

为了尽量降低成本，在三次注浆加固时，浅部、中深部和深部采用不同水灰比的注浆材料。由于陷落柱的深部裂隙比较发育，需要强度较高的注浆材料，因此水灰比选择0.6:1；浅部的注浆主要为了封锁漏浆通道，因此需要短的凝结时间，但强度需求不高，因此选择0.8:1 材料水灰比；中深部主要填补较小的裂隙，需要较高的流动性，因此选择1.2:1的注浆水灰比。

3 现场施工及效果检验

采用液压注浆泵，注浆压力范围为0～35 MPa，可以手动调节，液压泵的最大流量为210 L/min，泵上安装有进水阀，只需人工上料，通过调整水的流量大小就可以严格控制水灰比。注浆系统配备气动搅拌桶，根据注浆量的需求调节个数，加上相应的管路和混合器组成，注浆系统整体简易，移动便捷。

注浆压力的设定根据注浆的孔深，中深孔设计为10～15 MPa，深孔注浆压力保持在25 MPa 左右。注浆量没有具体的规定，施工过程中，在液压泵无法泵送，当达到最大注浆压力或者出现严重的漏浆现象时，暂停注浆，清理注浆管道。

图5 注浆钻孔窥视图像

注浆结束后为了检验注浆效果，通过钻孔窥视，观察深孔25 m 和40 m 处的煤体。窥视图像如图5。根据图像可知，深孔注浆效果良好，不同深度位置的孔内孔壁光滑，并没有发现明显的裂隙发育，原生裂隙均被浆液充满，浆液与煤体的固结效果良好，煤体的整体性得到提升。

同时通过对比没有陷落柱区域与注浆加固区域巷道变形量发现，陷落柱注浆加固区域巷道变形量比正常回采时巷道变形量减小。

正常回采区域巷道围岩最大顶板下沉量约为280 mm，两帮移近量约为160 mm，并且在回采过程中有局部片帮现象；而经过注浆加固的区域，巷道最大顶板下沉量为300 mm，两帮移近量减小至90 mm，工作面推过陷落柱区域没有发现明显的片帮现象。钻孔窥视和巷道变形观测结果表明，注浆材料的水灰比选择合理，煤体加固效果良好。

4 结论

（1）根据陷落柱的形态和1309 工作面的地质条件，设计了浅、中深、深部分次联合的注浆加固方案。

（2）试验测试了注浆材料性能，分析了注浆材料的抗压强度增长特征，并根据注浆需求选择不同，将浅孔水灰比设计为0.8:1，中深孔注浆水灰比为1.2:1，深部注浆材料水灰比为0.6:1。

（3）通过钻孔窥视发现，浆液能较好地充填煤体裂隙，煤体整体稳定性提高。注浆前后巷道稳定性提高，巷道变形量减小，工作面顺利通过陷落柱区域。