超前預注漿技術在工作面過陷落柱技術探析與實踐

張云峰

（山西高河能源有限公司 ，山西 長治 047100）

0 引 言

隨著我國煤炭資源的逐漸大規模開采與煤炭開采方法的創新，地質條件復雜煤炭資源的開采逐漸成為熱點問題[1]。陷落柱是眾多復雜地質條件中最為常見的一種。陷落柱是在地質成煤后，煤層底板巖層中的溶洞坍塌引起的覆巖整體破壞后形成的類柱狀坍塌體[2]。山西各個主要礦區均有大量的陷落柱存在，陷落柱對煤礦開拓系統、準備系統以及回采系統的影響較大[3]。同時，陷落柱嚴重影響煤層頂板的強度，當煤層開采時，極易與含水層溝通，導致煤礦透水事故發生[4]。

眾多學者針對這一問題進行了研究。學者張村[5]建立了陷落柱厚筒壁力學模型，結合數值模擬對陷落柱周圍應力分布，確定了落柱保護煤柱寬度，實現了金莊礦8203工作面的安全回采。學者趙國飛[6]利用多種實驗室試驗方法，分析鹽酸軟化對巖石微觀結構以及宏觀力學性質的影響，確定了煤礦工作面直接過陷落柱的鹽酸濃度與配比，并進行了工程應用。這些研究雖然提出了一些工作面過陷落柱方法，但這些方法都有較為明顯的限制。

本文基于高河礦W4301工作面過Xw15陷落柱的工程實際，在工作面地質報告的基礎上，通過工作面超前預注漿技術，對陷落柱進行加固處理，保障工作面工作面回采時的頂底板穩定性。

1 工作面陷落柱概況與水文地質情況

高河礦W4301工作面目前準備回采，根據地測部提供的三維地震勘探及實際鉆探結果，工作面前方4m處將通過Xw15陷落柱，Xw15陷落柱位于西四盤區，W4301工作面內的西南角，最近點距離W4301切眼巷4m，距離W4301進風巷70.8m，平面形態為近橢圓狀，其長軸為東西方向，長軸長75m，短軸為近南北方向，短軸長53m，面積約3120m2，如圖1所示。

圖1 Xw15陷落柱分布范圍

根據前期鉆探所取巖芯分析，巖石較為破碎，陷落柱內部巖石膠結性較差，同時根據探測顯示Xw15陷落柱內無出水、漏水、滲水現象，判斷該陷落柱為不導水陷落柱。

2 工作面超前預注漿技術

2.1 注漿前準備工作

1）超前鉆探。工作面回采前，在工作面煤墻布置水平探眼，以確定陷落柱具體位置。

2）設備設施及支護材料的準備。為保證安全生產，滿足現場需要，必須在回采前準備如下材料。

進風順槽超前棚外備用單體柱、工字鋼、大板、半圓、晉安加固Ⅰ號[7]等材料。

工作面低洼點安放風泵、隔膜泵及排水管備用。

進風順槽超前棚內備用割管工具、破巖工具。

3）預注漿加固。根據地質資料，工作面回采后，陷落柱會首先在146#-152#架揭露，故工作面回采前，進行預注漿加固；并經現場揭露校正陷落柱邊界，提前對陷落柱邊界的煤巖分界處進行注漿。另外，工作面回采揭露陷落柱以后，根據工作面揭露的陷落柱巖石破碎及膠結情況進行注漿。

2.2 施工工藝

1）施工工藝工序。工作面陷落柱超前探測→工作面探測到陷落柱段煤巖分界處預注漿加固→采煤機推進（取鋼管）、工作面頂板、煤墻破碎區域注漿加固、工作面打設瓦斯參數測定孔→工作面陷落柱煤巖分界點超前探測→下一個循環。

2）超前探施工工藝。超前探測分兩種情況，一是工作面回采前，分別在支架前方煤墻使用風動煤鉆打眼，探眼平行順槽方向，探明工作面首先揭露范圍及未來20m內陷落柱的揭露范圍；二是工作面正常推進后，每推進8m，在陷落柱揭露范圍左右各10m范圍內，平行順槽方向打探眼，以探明推進方向8m范圍內的陷落柱邊界位置，便于提前對邊界注漿，如圖2所示。

圖2 工作面陷落柱超前探視圖

3）注漿加固工藝。注漿時必須根據超前探數據，提前對陷落柱邊界的煤巖分界處進行注漿；根據工作面揭露的陷落柱巖石破碎及膠結情況進行頂板或煤墻注漿，如圖3所示。

圖3 工作面過陷落柱期間注漿孔布置圖

2.3 注漿材料、設備及技術參數

注漿孔布置：使用風動煤鉆打孔，孔深8m，孔徑42mm，下排孔距底板1.5m，垂直煤墻或巷幫打設，上排孔距底板2.5m，仰角30°（1m抬高0.5m）打設，注漿孔水平間距3m，三花布置，循環步距4m。

注漿泵：整機重120kg，長×寬×高：1000mm×600mm×1000mm，動力源為高壓風動，進氣壓力0.4～0.6 MPa，注漿壓力 0～12MPa。

注漿材料：采用潞安民爆的晉安加固Ⅰ號注漿材料（雙組份A料、B料）。

2）采用晉安加固Ⅰ號注漿材料注漿工藝流程如圖4所示：

圖4 注漿工藝流程

首先按照設計的鉆孔位置、參數和規定的施工順序進行鉆孔并檢測鉆孔質量，然后安裝注漿管及封孔部件，在確保管路通暢、設備正常的情況下，準備漿液，開泵注漿，完成注漿工作，最后清洗系統。具體施工工序如下：①開啟氣源開關試運行注漿泵（用清水試泵、觀察出水情況）。②開啟攪拌機觀察攪拌機是否運轉正常。③連接孔口混合器和注漿管。④注漿系統試運轉并確認正常后，根據現場配置的吸漿設備容器，配料工將等量的A、B料分別加入各自的吸漿桶內，并時刻關注其余量，及時加料。⑤在確認注漿管路與封孔器等連接正確后，開泵注漿。⑥待注漿壓力達到12MPa或煤墻出現流漿的現象時，關閉氣源開關、注漿泵結束單孔注漿。⑦按同樣的程序對第二個孔進行注漿。⑧注漿完畢后，拆除孔口混合器和注漿管。⑨注漿施工完畢后，在攪拌機中加入清水，開啟注漿泵進行洗泵。

3 回采工藝

1）工作面陷落柱揭露邊界位置前后10m以外區域，采用正常循環工藝回采。

2）工作面陷落柱揭露邊界位置前后10m區域，機組速度降至0.5～1m/min。

3）根據地質資料預測陷落柱揭露位置與推進進尺變化關系。

4）回采正規循環工序。割煤至陷落柱邊界→采煤機割煤裝巖、前溜開空→逼幫、鋸管→割煤至陷落柱邊界→下一個循環。每天按2刀煤為一個正規循環組織。

5）工作面陷落柱影響區采用采煤機配合放炮破巖的方式推進。若陷落柱揭露后，巖石普氏硬度系數在4以下，可不必放炮，直接采用采煤機截割；若陷落柱整體或局部（長、寬、高大于2m）有普氏硬度系數達到4的矸石，則進行放炮破碎。

4 結 論

本文依托高河礦W4301工作面過Xw15陷落柱的工程實際，以實現工作面不搬家倒面，工作面回采工作較為便捷的工作面直接過陷落柱為目標，在工作面超前探視的基礎上，對工作面陷落柱進行了較為全面的分析，確定工作面陷落柱的具體方位與幾何尺寸，通過工作面超前預注漿技術，對陷落柱進行加固處理、對陷落柱不穩定邊界進行了處理，切實保障工作面工作面回采時的頂底板穩定性，防止突水事故的發生。同時，確定了回采工作面的回采工藝，實現了工作面快速過陷落柱，保證了工作面安全、高效回采。