巨厚火成巖下采空區注漿充填減災方案探析

文/馬志強 任春輝

巨厚火成巖下采空區注漿充填減災方案探析

文/馬志強 任春輝

淮北礦業股份有限公司海孜礦井田中、西部沿5煤層侵入的巨厚火成巖，呈巖床分布，沿走向綿延長度6.5km。在19勘探線附近，地層有輕微褶曲，火成巖厚度突變，19勘探線以西厚度大于110m，最大厚度達174.2m，19勘探線以東厚度小于50m。火成巖在礦井西翼Ⅱ102采區分布穩定，其厚度一般大于 120m，距 10#煤層160m左右。Ⅱ102采區現已回采4個工作面，采空區傾向寬度接近400m，但巨厚火成巖仍然沒有破斷垮落，其下部產生了較大離層空間，使得采空區無法承載，形成了較大范圍的高應力集中區域。

為解決Ⅱ102采區后續工作面巨厚火成巖下安全回采問題，淮北礦業委托中國礦業大學開展減災試驗研究項目。在對Ⅱ102采區地質開采條件進行分析的基礎上，課題組通過對巨厚火成巖下離層分布、應力分布規律及致災機理研究，制定了采空區注漿充填方案，包括注漿充填系統設計、注漿鉆孔的布置、注漿層位的確定以及注漿充填工藝參數設計等。同時，鑒于注漿填充后，注漿漿體析水，采空區及其上部賦存大量老空水，因此課題組還對賦水情況進行分析，并對周邊采掘工作面進行了安全評價。

一、采空區注漿充填試驗方案

1.地面注漿充填鉆孔布置

Ⅱ1022工作面上方有3個早期離層注漿充填孔，從注漿孔與Ⅱ1022工作面采空區平面位置關系來看，3個注漿孔 （編號分別為注1、注2、注3孔）排列比較均勻，鉆孔間距滿足注漿充填要求，即3個注漿鉆孔均可利用，且能保證Ⅱ1022面沿走向形成合理的有效充填支撐體系。Ⅱ1024工作面內原有2個瓦斯抽放鉆孔，可實施注漿充填（編號分別為注4、注5孔）。地面注漿充填鉆孔位置關系如圖1所示。

2.注漿充填層位

注漿層位包括采空區垮落帶、中組煤下部離層帶和火成巖下方20m范圍內的離層帶。為達到有效的充填承載墩柱效果，各鉆孔最終注漿充填位置應進入10#煤層的垮落帶。

3.注漿材料及配比

注漿充填原材料選用粉煤灰，漿體采用粉煤灰摻水配制而成。根據不同時期注漿充填的需要，可適量摻加水泥和其他骨料。設計漿液水灰質量比為0.76～1.18，具體數值可以在注漿工程中根據注漿難易程度進行適當調整。

二、注漿充填實施情況及涌水量觀測

1.注漿充填實施情況

注漿充填過程中實際采用注漿充填鉆孔6個，分別為前述的注1、注2、注3、注4、注5，后期又增補一個補3孔，主要用于檢查與增強注漿效果。各鉆孔注漿量見表1。

圖1 Ⅱ102采區注漿充填鉆孔設計位置圖

2.注漿充填采區涌水量觀測

Ⅱ102采區三中車場石門，用于垮落帶注漿排水監測。86大巷內的1#、2#、3#放水鉆孔，終孔位置位于Ⅱ1022工作面上方火成巖以下離層帶位置處，主要用于離層帶注漿排水監測。

三、注漿填充期間排水量分析

鑒于注漿填充過程中，注漿漿體析水，并逐漸在離層帶、采空區內賦存大量老空水。因此，必須對其賦水情況進行分析，進而對周邊工作面的采掘進行安全評價。

1.離層帶注漿排水量

離層帶注漿充填過程中，注漿析出水通過86大巷1#、2#、3#放水孔排出。各鉆孔在注漿充填之前均處于干孔狀態，注漿充填實施2個月之后，放水鉆孔開始出水，初期有部分粉煤灰漿涌出，約持續7天左右后，開始持續放出清水。

分析認為，86大巷放水孔排出水均為離層帶注漿析出水，鉆孔出水量觀測周期為每周觀測一次。因此，實際統計注漿水排出量時采用分段累加方式（以相鄰兩次觀測為一個時段），涌水量以該段的平均值計算，每天按24h計。經計算得出：1#放水孔排出注漿水量為88781m3；2#放水孔一直處于干孔狀態；3#放水孔排出注漿水量為26124m3，離層帶注漿時注漿水累計排出量為114885m3。86大巷內1#、2#、3#放水鉆孔及部分采空區出水點位置如圖2所示。

2.垮落帶注漿排水量

垮落帶注漿充填過程中，注漿析出水通過采空區自然出水點排出，部分出水點位置如圖2所示。由于涌水量觀測點為Ⅱ102采區三中車場石門，該涌水量既包括注漿排水，也包括老采空區正常涌水,涌水量觀測周期為每周觀測一次。因此，實際統計注漿水排出量時采用分段累加方式（以相鄰兩次觀測為一個時段，該時段涌水量以該段的平均值減去不注漿時采空區的正常涌水量）,每天按24h計。經計算得出：垮落帶注漿時排出注漿水量為53286m3。

3.注漿水平衡分析

（1）注漿水總注入量

注漿充填過程中累計注入的總水量為236314m3，如表1所示。

表1 各鉆孔注漿量一覽表（單位：m3）

圖2 1#、2#、3#放水鉆孔及部分采空區出水點位置

（2）注漿水去向

注漿充填后，一部分注漿水會被粉煤灰所吸附從而脫離自由狀態；另外一部分水以自由水的狀態存在，進入巖層空間后通過放水孔和垮落帶出水點排出。

根據現場灰樣的實測結果：1 m3的松散干粉煤灰形成壓實灰漿后所含水體積為0.24m3，即壓實灰漿狀態下松散粉煤灰的體積含水率為24%。據此計算，粉煤灰的總吸水量為63711m3。

根據前述對水量實測的分析計算結果：離層帶共排出注漿水量為115885m3，垮落帶共排出注漿水量為54286m3，則采區累計排出注漿水量為170171m3。

（3）注漿水平衡計算

根據上述分析可知：地面累計注入水量236314m3，其中63711m3被粉煤灰所吸收，剩余水量為172603m3，與采區排出注漿水總量170171m3基本平衡，說明離層帶和老采空區均無注漿水積聚。

四、結語

注漿后采區內涌水觀測結果顯示，注漿水剩余水量與采區排出水總量基本平衡，說明離層帶和老采空區均無注漿水積聚，說明注漿水不影響周邊工作面的安全生產。且Ⅱ1026工作面已回采完畢，老頂充分垮落，沒有影響安全回采。因此，巨厚火成巖下采空區注漿充填減災方案合理可行，注漿充填實施效果突出，保證了巨厚火成巖的穩定性，達到了防災減災的目的，為后續工作面的安全回采創造了條件。

（作者單位：淮北礦業股份有限公司）

（責任編輯：周瓊）