注漿加固法在治理煤礦巖溶陷落柱的應(yīng)用

陳引鋒，馬長玲，魏奧林

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽712000）

高河井田開采3號(hào)煤層，井田內(nèi)含煤地層埋藏較深，奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r含水層巖溶較發(fā)育，含水較豐富，水質(zhì)較好[1]。其地質(zhì)構(gòu)造情況相當(dāng)復(fù)雜，斷層與陷落柱尤為發(fā)育，在對(duì)煤層及頂板破碎區(qū)進(jìn)行加固治理的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上[2]，進(jìn)一步對(duì)異常區(qū)Ⅱ陷落柱進(jìn)行注漿加固，保證了W1309工作面安全回采，效果顯著，值得推廣。

1 地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造概況

高河井田所屬的潞安礦區(qū)位于華北斷塊區(qū)呂梁—太行斷塊沁水塊坳東部次級(jí)構(gòu)造單元沾尚—武鄉(xiāng)—陽城NNE向凹皺帶中段，晉（城）—獲（鹿）斷裂帶西側(cè)，主體部分疊加長治新裂陷。

井田內(nèi)地層總體走向近SN-NNE向，東高西低。在次基礎(chǔ)上發(fā)育有近SN、NNE向2組寬緩褶曲，沿走向及傾向伴有落差大小不一的斷層19條，其中落差大于20m的6條，大于10m的6條，10m以下落差的斷層7條。

井田內(nèi)發(fā)現(xiàn)的7個(gè)陷落柱,多集中分布于井田西部，斷層附近或構(gòu)造復(fù)合部位。其中，采區(qū)內(nèi)陷落柱主要集中在補(bǔ)勘區(qū)西部4km2范圍內(nèi)，具有成群性及帶狀分布特點(diǎn)。其平面形狀以橢圓形為主，剖面形態(tài)均為下大上小形，塌陷高度一般在200m以上，煤層陷落深度不等，陷落柱對(duì)褶曲具有一定程度的改造作用，對(duì)其附近的煤層影響范圍一般不超過50m[3]。

1.2 水文地質(zhì)概況

根據(jù)前期三維地震勘查、井下實(shí)際鉆探以及實(shí)際揭露情況，該異常區(qū)Ⅱ陷落柱在W1309進(jìn)風(fēng)順槽10號(hào)橫貫向西3m左幫處揭露6m，均為貼著左幫處揭露，距切眼距離983～1058m，陷落柱內(nèi)富水，填充物主要為中、粗粒砂巖，塊狀，且大小不等，堆積無序，圈定該陷落柱范圍，長軸為近東西方向，長度41m，短軸為近南北方向，長度27m，面積940.7m2[4]。

根據(jù)鉆探出水情況，預(yù)計(jì)該陷落柱與3號(hào)煤下K2灰?guī)r形成導(dǎo)水。現(xiàn)陷落柱出水量在2m3/h，預(yù)計(jì)打鉆過程中，單孔最大涌水量為60m3/h。

1.3 工作面概況

W1309工作面切眼長度為320m，工作面可采長度為1776.5m，位于西一盤區(qū)中南部，北側(cè)為W1308工作面，南側(cè)為W1310工作面，西側(cè)為井田邊界，東側(cè)為+450m水平南翼輔運(yùn)大巷。

本次施工地點(diǎn)位于W1309工作面進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi)距切眼983m處，距進(jìn)風(fēng)10#橫貫前后75m范圍內(nèi)，該巷道寬5m，高3.5m，均為大板棚支護(hù)，錨網(wǎng)棚距900m。

該工作面整體是一個(gè)單斜構(gòu)造，煤層底板標(biāo)高呈兩端低、中間高的變化趨勢，一般傾角為3°～15°，平均8°。3號(hào)煤層賦存于二疊系山西組地層中，為陸相湖泊型沉積，煤層厚度穩(wěn)定，煤厚6.44m，全煤間夾有一層炭質(zhì)泥巖夾矸，厚度0.12～0.20m[4]。

2 充水條件分析

3號(hào)煤層的直接充水含水層為頂板砂巖裂隙含水層，單位涌水量為0.0075L/（s·m），富水性較弱，井田內(nèi)總體構(gòu)造相對(duì)簡單，即二類一型。井田的北部及東北部由于3號(hào)煤層埋藏向北東逐漸變淺，甚至隱伏出露，受到基巖風(fēng)化帶和松散層含水層等的影響，水文地質(zhì)條件將趨于復(fù)雜。井田北部及中、南部存在斷層、陷落柱，受構(gòu)造的溝通作用，這些地段的水文地質(zhì)條件趨于復(fù)雜。

3號(hào)煤層與奧灰水之間一般有100m的地層阻隔，對(duì)煤層開采影響不大。在構(gòu)造的影響下，局部地段3號(hào)煤層與奧灰水的間距縮短，甚至與奧灰水直接接觸，如二崗山南斷層等及陷落柱附近，奧灰水也可能成為3號(hào)煤層的充水水源[3]。

3 陷落柱注漿處理

3.1 注漿方案

利用井下注漿站進(jìn)行造漿，通過注漿管路向注漿孔進(jìn)行注漿。注漿方式采用一次性鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)位置，從孔底采用上行分段注漿方式，逐層向上進(jìn)行注漿，分層分段加固,以最大量注漿、最大范圍的擴(kuò)散、最大限度的充填為目的，采用連續(xù)注漿。當(dāng)發(fā)現(xiàn)巷道底板跑、竄漿時(shí)可采用間歇注漿。

3.2 鉆孔布置及結(jié)構(gòu)

本次鉆探共施工42個(gè)鉆孔，只考慮對(duì)煤層底板水平方向外推約15m范圍進(jìn)行注漿改造,鉆孔均位于W1309進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi)，沿巷道方向平行均勻布置，鉆孔方位均垂直于巷道南幫。總長度2701.5m；其中，終孔垂直深度為60m的鉆孔采取分段注漿，在鉆至垂直深度為30m時(shí)，第一次注漿，成孔后進(jìn)行第二次注漿，需要透孔檢查，透孔總長為1083.5m。預(yù)計(jì)注漿量4000m3水泥漿。

工作地點(diǎn)原有26個(gè)陷落柱探查孔，其中頂板孔2個(gè)，底板孔2個(gè)，平孔22個(gè)，另有瓦斯抽放孔5個(gè)，均未下套管，總共31個(gè)鉆孔。孔徑?94mm，鉆孔目前仍有出水現(xiàn)象，終孔深度45～150m不等，在注漿前需對(duì)上述鉆孔進(jìn)行注漿封堵。

陷落柱注漿所有鉆孔傾角均為負(fù)角度，鉆進(jìn)范圍在煤層底板，終孔孔間距20～30m，開孔孔徑?133mm，終孔孔徑?75mm。開孔位置均在W1309進(jìn)風(fēng)順槽底板，開孔高度距煤層底板1.0m左右[4]。具體技術(shù)參數(shù)見表1。鉆孔布置平面圖剖面圖見圖1、圖2。

表1 W1309進(jìn)風(fēng)順槽異常區(qū)Ⅱ陷落柱底板注漿鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.3 注漿材料與注漿參數(shù)

本次注漿工程主要采用單液漿。水泥采用42.5R普通硅酸鹽早強(qiáng)水泥，由于孔口管固結(jié)破碎段，須采用雙液漿（水泥漿加水玻璃）進(jìn)行注漿固結(jié)，水玻璃模數(shù)宜為2.4～3.0，濃度宜為30～45Be。

根據(jù)注漿堵水目的層的水文地質(zhì)條件經(jīng)驗(yàn)確定漿液擴(kuò)散半徑為10～15m。

底板注漿壓力按如下公式確定：Pc=P0+1.0

式中：Pc——注漿壓力，MPa；

P0——注漿孔靜水壓力，奧灰水標(biāo)高+660m，底板標(biāo)高+490 m，取值1.7MPa；

1.0——富余壓力，MPa。

最終確定本次底板注漿壓力為3.0MPa。

3.4 施工技術(shù)與施工工藝

注漿孔為斜孔結(jié)構(gòu)，在W1309工作面回風(fēng)順槽臨近陷落柱段進(jìn)行施工。孔口管長度為10m，并在上面安設(shè)閥門，閥門的最大抗壓能力不小于4MPa。下套管時(shí)必須進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，耐壓試驗(yàn)的壓力不小于4MPa。

根據(jù)鉆孔出水水壓，孔口下直徑?73mm止水套管10～20m止水套管，采用高水固化膠結(jié)充填材料進(jìn)行注漿固管，試壓合格后，方可進(jìn)行注漿封堵。頂板孔和出水鉆孔需用直徑?89mm的止水器進(jìn)行止水，然后再進(jìn)行注漿封堵。孔口安設(shè)高壓閥門和注漿盤。

根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果，確定漿液類型及其濃度。一般須先用稀漿進(jìn)行試注，了解該孔吃漿量大小；同時(shí)井下觀察是否跑漿及跑漿時(shí)間或其他異常情況，觀測相鄰鉆孔是否竄漿，奧灰水位變化等情況。根據(jù)以上情況分析，再?zèng)Q定調(diào)整漿液濃度。

圖1 W1309回風(fēng)順槽異常區(qū)二陷落柱底板注漿鉆孔設(shè)計(jì)平面示意圖

圖2 W1309回風(fēng)順槽異常區(qū)二陷落柱底板注漿鉆孔設(shè)計(jì)剖面示意圖

另外，要對(duì)壓水試驗(yàn)及注漿過程進(jìn)行詳細(xì)記錄。按照注漿班報(bào)記錄表的格式如實(shí)測定并記錄每罐漿液的比重、泵量、泵壓、孔口壓力等參數(shù)；及時(shí)匯總注漿量資料、注漿前后壓水試驗(yàn)資料，分析注漿效果，為下一步施工提供依據(jù)。

當(dāng)達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，最后再向孔內(nèi)壓一定的清水，將管路清洗干凈，關(guān)閉注漿孔閥門，8h后可打開閥門，觀測孔內(nèi)是否還有涌水。

嚴(yán)格規(guī)范鉆孔質(zhì)量，終孔的角度誤差不能超過1°。

3.5 單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

（1）注漿壓力。根據(jù)以往注漿經(jīng)驗(yàn)，注漿總壓應(yīng)不小于受注含水層最大靜水壓力的2倍。陷落柱處煤層底板標(biāo)高為+493m，奧灰含水層水位標(biāo)高為+660m，該處底板承受的奧灰水壓為1.67MPa，據(jù)此初步確定壓力增量ΔP取2.0MPa，注漿終壓不大于3.67MPa。即當(dāng)孔口壓力達(dá)到以上值時(shí)，即可認(rèn)為該受注層段注漿已達(dá)到壓力結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

（2）注漿量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)注漿壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，應(yīng)逐次換檔降低泵量，直至泵量達(dá)到50L/min，并維持30min。

（3）單位吸水率標(biāo)準(zhǔn)。在注漿量達(dá)到要求后，每個(gè)孔必須進(jìn)行壓水試驗(yàn)（試驗(yàn)壓力為結(jié)束壓力的80%），并求解單位吸水率q，確定是否繼續(xù)注漿。當(dāng)單位吸水率小于標(biāo)準(zhǔn)值0.01L/（min·m·m），就表明陷落柱內(nèi)空隙及裂隙已達(dá)到充填加固，切斷了奧灰及太灰水進(jìn)入煤層的通道[4]。

4 治理效果

由于此次工程為正在回采的工作面，注漿結(jié)束后仍然要進(jìn)行回采工作，因此，對(duì)注漿效果的驗(yàn)證尤為重要[5]。

（1）當(dāng)單位吸水率小于標(biāo)準(zhǔn)值0.01L/（min·m·m），就表明陷落柱內(nèi)空隙及裂隙已達(dá)到充填加固，切斷了奧灰及太灰水進(jìn)入煤層的通道。

（2）探查孔水壓水量對(duì)比。在注漿過程中，觀測探查孔的水量和水壓，均有明顯減小的現(xiàn)象。

（3）注驗(yàn)孔巖芯質(zhì)量對(duì)比。在施工探查1和探查2的過程中均發(fā)現(xiàn)了被水泥充填過的巖芯，說明此次注漿的漿液已經(jīng)充填到了陷落柱裂隙當(dāng)中，降低了陷落柱的導(dǎo)水性。

5 結(jié)語

本工程在分析研究1309工作面異常區(qū)地質(zhì)條件和生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，借鑒以往工程經(jīng)驗(yàn)，按類比法進(jìn)行施工參數(shù)設(shè)計(jì)，取得了良好的效果：

首先，采用注漿改造方案，其優(yōu)點(diǎn)在于工作面不用搬家，無須另掘巷道，工作面內(nèi)丟煤量大幅度減少，提高了工作面煤炭回采率,同時(shí)降低了采空區(qū)煤炭自燃發(fā)火率。

其次，通過對(duì)W1309進(jìn)風(fēng)順槽異常區(qū)Ⅱ進(jìn)行注漿加固，增強(qiáng)了其抗壓能力，提高了圍巖的強(qiáng)度與穩(wěn)定性；在W1309工作面內(nèi)通過對(duì)Ⅱ陷落柱水平方向外推約15m范圍的煤層底板進(jìn)行注漿改造，充填導(dǎo)水裂隙及含水層，達(dá)到了防治水的目的；有效地切斷陷落柱溝通奧灰以及其他各含水層的導(dǎo)水通道，防止發(fā)生底板突水事故，從而保證礦井安全生產(chǎn)順利進(jìn)行。

[1] 山西省煤炭地質(zhì)114勘察院.潞安礦區(qū)高河井田勘探地質(zhì)報(bào)告[R].2005.

[2] 魏軍賢，王安舍，申文彪.注漿加固技術(shù)在煤礦綜放回采中的應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2010，37（1）：69-71，74.

[3] 中煤國際工程集團(tuán)北京華宇工程有限公司.高河礦井修改初步設(shè)計(jì)[R].2011.

[4] 焦作市恒利水文地質(zhì)工程有限責(zé)任公司.高河w1309進(jìn)風(fēng)順槽異常區(qū)Ⅱ陷落柱注漿工程施工安全技術(shù)措施[R].2014.

[5] 趙永強(qiáng)，劉彥俊.導(dǎo)水陷落柱井下探查與治理[J].中國煤炭地質(zhì)，2013（5）：4-7.