综放工作面陷落柱区域注浆加固技术应用研究

李小利

（晋能控股煤业集团赵庄二号井，山西 长治 046605）

1 概况

赵庄二号井2309 综放工作面开采3#煤，平均煤厚4.2 m，采用后退式放顶煤工艺，采煤高度2.8 m，放顶高度1.8 m。工作面沿走向布置23091 和23092两条顺槽。工作面走向长度为1 465.6 m，倾向长度为155.7 m，煤层平均倾角2°，为近水平煤层。直接顶为10.78 m 厚的粉砂质泥岩，基本顶为11.81 m厚的砂岩，直接底为6.40 m 厚的泥质粉砂岩，顶底板结构稳定，巷道支护简单。

2309 工作面3#煤层属于稳定可采煤层。根据2309 工作面槽波探测结果，结合钻探发现，对工作面回采影响较大的地质构造主要是工作面中部的JDX16 陷落柱。由于三维勘探具有局限性，工作面可能存在隐蔽较小的褶皱或者断层，可以在回采过程中进行处理。而已知陷落柱的影响范围较大，如果不对陷落柱区域进行注浆加固，回采过程中当工作面通过陷落柱区域时，由于该处煤岩体松软、破碎，极易发生片帮甚至冒顶等事故[1-3]。因此需要对陷落柱区域围岩裂隙发育程度分析，进而制定合理的注浆加固方案，使工作面顺利通过陷落柱区域。

2 陷落柱周边围岩裂隙发育模型

注浆加固需要根据煤体的裂隙发育形态和位置进行相应的设计，必须了解陷落柱周边围岩的裂隙发育规律。因此，通过分析陷落柱的成因，建立陷落柱围岩裂隙发育模型，如图1。

图1 陷落柱周边围岩裂隙模型

众所周知，陷落柱主要是由于松散或者破碎岩体在重力作用下塌陷，并牵动周围煤体或者围岩弯曲下落，进而形成的柱状堆积体，并且往往发育深度在某一岩层内部终止[4-5]。通过总结国内研究现状可以发现，根据陷落柱周围围岩裂隙的发育程度，将陷落柱围岩分为：陷落柱内破碎岩石堆积区、陷落柱裂隙剧烈发育区、陷落柱外围裂隙孕育区、原岩围岩稳定区。

（1）陷落柱内破碎岩石堆积区。该区域主要是上覆岩层垮落的岩块和一些伴生矿物堆积而成。岩石堆积松散，对陷落柱周围岩石不会产生很大的压力，同时，矿物和岩屑堆积无规律，内部有较大的孔隙，有较强的导水性能。因而，如果此处裂隙水比较发育，堆积区内部会有较大含量的自由水，会进一步软化该区域的岩石。由于裂隙极其发育，当采用注浆加固时，浆液能够较好地充斥陷落柱区域，保证注浆效果。

（2）陷落柱裂隙剧烈发育区。该区域的岩石在陷落柱塌陷时会受到强烈的干扰，会牵动围岩塌陷破碎。裂隙发育主要是在陷落柱形成过程，当陷落柱稳定时，该区域裂隙发育也趋于稳定。裂隙发育的方向一般平行于陷落柱柱面的切线方向，倾角较大。在陷落柱长期的影响下，附近围岩松软，破碎，孔隙较大。该区域有较强的可注性，是发生安全隐患的主要诱因，故而是注浆加固的重点区域。

（3）陷落柱外围裂隙孕育区。该区域距离陷落柱较远，受到塌陷牵引效应也会相应降低，但岩体内部仍会有一些破坏，围岩不完整，存在微小的裂隙发育。因此在注浆加固时，也需要对该区域进行适当注浆封堵，以防止漏浆等现象。

（4）原岩产状稳定区。该区域一般离陷落柱较远，不会受到岩石塌落牵引的影响，岩石周围应力为原岩应力，裂隙发育不明显，保留原有的岩层产状，有较强的稳定性。因此，注浆加固可以不考虑该区域。

根据陷落柱围岩不同区域裂隙发育状况，结合实际地质资料，制定有效的注浆加固方案，注浆加固的重点为陷落柱内破碎岩石堆积区和陷落柱外围裂隙剧烈发育区。

3 陷落柱注浆加固方案及效果考察

根据2309 工作面探查的资料来看，陷落柱将沿走向范围长度为 60 m，在工作面回采695 m 后揭露，在755 m 处结束；倾向影响范围约为50 m，在机头方向约45～95 m，在工作面中部，为工作面倾向长度的1/3。

3.1 注浆钻孔方案设计

根据陷落柱的范围，计划分别在23091 巷、23092 巷，对陷落柱60 m 和前后各10 m 范围进行注浆加固，注浆范围共80 m，对应回采进度695～755 m。

巷道两侧各布置17 个深孔钻孔，23091 巷一侧孔深80 m，23092 巷一侧孔深85 m。浅孔各82 个，孔深均为8 m。

23091 巷注浆加固的8 m 浅孔，布置方式为钻孔上下两排、矩形布置。上排孔开孔高度距离底板2 m，钻孔间距2 m，垂直于煤帮；下排孔开孔高度距离底板1 m（可以根据皮带高度适当调整），钻孔间距2 m，垂直于煤帮。共布置82 个钻孔，孔径均为42 mm。

深孔布置方式：考虑皮带、搭架对开孔高度影响，布置单排钻孔，开孔高度距离底板1.5 m，钻孔间距5 m，孔径Ф75 mm，共布置17 个钻孔。钻孔布置平面图如图2。

图2 23091 巷浅孔钻孔布置平面图

特别注意的是，深孔1#～17#共17 个钻孔，单数号钻孔开孔高度应根据皮带实际高度调整，尽可能低，仰角0°；双数号钻孔开孔高度按照尽可能按照距离底板1.5 m 准确执行，不能低于1.5 m，但可以根据实际的条件适当上调，以保证不影响设计的注浆加固区域和注浆效果。

23092 巷施工范围与23091 巷道一致。8 m 浅孔布置方式与23091 巷布置方式完全相同。深孔布置方式为钻孔上下两排，上排孔开孔高度距离底板2 m，钻孔间距为10 m，孔径为Ф75 mm；下排孔开孔高度距离底板1 m，钻孔间距10 m，孔径为Ф75 mm。共布置17个钻孔，钻孔布置平面图如图3。

3.2 注浆材料介绍

浅孔注浆是为了加固陷落柱外围裂隙孕育区和部分原岩稳定区的裂隙，从而在增强围岩稳定性的情况下，也可以有防止漏浆的封孔的效果。根据需求，相应的注浆材料性能要求主要表现为凝结时间短，强度增长快，但强度不需要过高。因此，浅孔注浆采用联邦双液注浆材料，该材料为无机双液组分，主要成分是水泥、生石灰、石膏等无污染的材料。该材料凝结时间短，一般3～5 min 即可初凝，10 min 左右终凝，水灰比为1:1 时，4 h 内强度可达9～11 MPa，材料有较好的流动性，扩散半径约5 m，适用于浅帮部注浆和深孔的封孔。

深孔注浆需要加固陷落柱破碎的堆积岩石和围岩剧烈发育区域，因此注浆材料需要具备较高的强度，保证工作面揭露陷落柱过程中煤岩体有一个稳定的赋存状态。因此深孔注浆采用联邦单液注浆材料，同样是无机组分，无污染。选定注浆材料水灰比为0.6:1，材料在加水后半小时内流动性较好，扩散半径约6 m，搅拌后3 h 内初凝，失去流动性，10 h 左右终凝，强度开始迅速增长，材料1 d 强度度可达到22.5 MPa，3 d 强度可达36.5 MPa，最终强度约为51.5 MPa。该材料特征适用于深孔注浆这样需要远距输送，并且围岩完整性较差构造带的区域注浆。

图3 23092 巷钻孔布置平面图

3.3 工程效果分析

注浆完成后，为了检验注浆效果，在陷落柱构造区的23091 巷和23092 巷两帮各设计4 个观测点，通过检测巷道围岩变形来分析注浆加固的效果。观测点布置如图4。

从工作面距离测点60 m 时开始观测，到工作面前方0～5 m 观测结束，统计两帮变形量和顶底板移近量。

图4 陷落柱加固区域表面位移测点布置

巷道变形观测主要包括顶板下沉量和两帮的移近量，将收集的数据整理后如图5。

从图5 可以看出，整体巷道变形量较小，顶板下沉量略大于两帮移近量。两条巷道的两帮移近量均小于100 mm，巷道的顶板下沉量也在100 mm 以内。同时，在工作面揭露陷落柱时，没有明显的片帮事故发生，表明注浆加固效果良好。

图5 巷道围岩变形特征

4 结论

（1）根据陷落柱的形成特点，将陷落柱围岩分成陷落柱内破碎岩石堆积区、陷落柱外围裂隙剧烈发育区、陷落柱外围裂隙孕育区和原岩围岩稳定区。

（2）根据陷落柱围岩裂隙发育特征，设计浅、深孔结合的注浆加固方案，采用不同的注浆材料实施注浆，以此保证注浆加固的效果。

（3）通过对陷落柱区域内巷道围岩变形量观测可知，巷道顶板下沉和两帮移近量均在100 mm以内，表明注浆有效加固了陷落柱区域的破碎围岩，保证了工作面顺利回采。