綜放工作面過陷落柱注漿技術研究

李勝利,王新穎,朱萌萌

(1.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 趙莊二號井,山西 長治 046600;2.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 長平公司,山西 晉城 048006;3.山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司 生產技術處,山西 晉城 048006)

1 工程背景

趙莊二號井2309綜放工作面走向長1 500 m,傾斜長160 m,煤厚4.2 m,煤層為3#煤層,布置23091和23092兩條順槽。

通過使用三維勘探技術,結合鉆探驗證,發現工作面內發育有陷落柱JDX16。JDX16陷落柱走向上影響范圍為距離巷口800 m～880 m,傾向上影響范圍為距離23091巷60 m～100 m,對工作面回采影響較大。JDX16陷落柱與工作面間相對位置如圖1所示。

圖1 JDX16陷落柱與工作面位置關系圖

陷落柱及其周邊圍巖應力復雜,煤巖體節理裂隙發育,煤巖體強度低,工作面回采過程中易出現片幫、冒頂等影響工作面安全開采的問題[1-2]。本文擬對陷落柱影響范圍及注漿加固技術進行研究,給出合理的注漿加固方案,防止出現片幫及冒頂事故,保障工作面安全開采,并進行治理效果監測。

2 陷落柱影響范圍研究

2.1 槽波探測及鉆探分析

2309工作面0～1 000 m槽波探測結果如圖2所示,根據槽波探測結果,并結合井下鉆探結果(鉆進過程中發現矸石有軟硬變化情況),JDX16陷落柱內部有軟、硬矸區域,陷落柱煤巖交界處13m范圍內煤巖體節理裂隙發育,煤巖體破碎、強度低,承載能力差,該處在工作面回采過程中極易出現片幫情況,從而易引起工作面冒頂、壓架等現象,是JDX16陷落柱治理的重點區域。

圖2 2309工作面0～1 000 m槽波探測結果

2.2 數值模擬計算分析

通過使用FLAC3D軟件建立數值模擬模型,建立模型如圖3所示。

模型設計尺寸X×Y×Z=260 m×250 m×100 m,共劃分網格63 616個,節點70 653個。依據實際情況設立巖石力學參數及邊界條件,其中陷落柱及接觸面力學參數根據經驗值選為正常巖層的0.65,使用接觸面Interface模擬陷落柱邊界,采用大變形模式進行模擬計算。選沿工作面推進方向陷落柱中心切面為監測切面。

圖3 數值模型

模型材料主要參數如表1所示。通過計算得出結果見圖4、圖5。

表1 模型主要巖石物理力學參數

圖4 工作面進入陷落柱前后計算結果

圖5 工作面出陷落柱前后計算結果

通過圖4、5所示計算結果,可以看出,陷落柱內部及陷落柱邊緣以外10 m范圍內,在回采過程中出現塑性區范圍較大的情況,是陷落柱明顯影響區,應從陷落柱邊界向外至少10 m范圍作為JDX16陷落柱治理的重點區域。

綜合槽波探測、鉆探分析及數值計算結果,同時考慮誤差情況的存在,選擇對陷落柱邊界15 m范圍內進行注漿治理。

3 注漿方案及鉆孔布置

為保障JDX16陷落柱煤巖交界處破碎煤巖超深孔注漿加固效果,采用淺孔和深孔配合的方法,淺孔注漿將煤巖體表層裂隙封堵,形成止漿層,防止深孔注漿時漏漿,并加固淺層煤體[3-5];深孔注漿加固JDX16陷落柱與煤體交界面附近區域及陷落柱內部(預計陷落柱內有水,需穿透注漿),深孔注漿施工時在工作面23091巷及23092巷分別施工。

6-a 加固區鉆孔布置平面圖

6-b 加固區鉆孔布置剖面圖

如圖6所示,深孔加固范圍水平投影覆蓋陷落柱邊界15 m范圍,垂直方向為機采高度中上部和機采高度上方2 m頂板。設計兩排鉆孔,下排鉆孔加固機采高度中上部,防止片幫,終孔位置在機采范圍頂部下方0.8 m;上排鉆孔加固機采高度上方2 m頂板范圍,防止冒頂,終孔位置在機采范圍頂部上方1 m。23091巷鉆孔設計深度80 m,23092巷鉆孔深度設計85 m,中間5 m相互交叉覆蓋。

3.1 淺部封堵

在JDX16陷落柱影響范圍對應巷道區域施工淺孔,淺部封堵鉆孔分上下兩排,孔深8 m,上排孔開孔高度距離底板2 m,鉆孔間距2 m,垂直于煤幫;下排孔開孔高度距離底板1 m,鉆孔間距2 m,垂直于煤幫。共布置82個鉆孔,孔徑均為42 mm。鉆孔布置平面圖如圖7所示。

圖7 巷道淺部鉆孔布置圖

3.2 深部加固

3.2.1進風順槽深部加固鉆孔參數

由于23091巷為皮帶進風巷,皮帶輸送機影響深部加固鉆孔施工,故該巷深部加固鉆孔呈單排布置。鉆孔開孔高度距離底板1.5 m,鉆孔間距5 m,孔深80 m,孔徑Φ75 mm,共布置17個鉆孔,鉆孔布置如圖8所示。

圖8 23091巷深部加固鉆孔布置圖

3.2.2回風順槽深部加固鉆孔參數

23092巷為軌道回風順槽,深部加固鉆孔分上下兩排,上排孔開孔高度距離底板2 m,鉆孔間距10 m,孔徑Φ75 mm;下排孔開孔高度距離底板1 m,鉆孔間距10 m,孔徑Φ75 mm。共布置17個鉆孔,鉆孔深度均為85 m,鉆孔布置平面圖如圖9所示。

圖9 23092巷深部加固鉆孔布置圖

3.3 施工工藝

施工順序:先施工淺部注漿孔,由先下后上的順序依次施工,對表層注漿封堵;后施工深孔,打一個注一個,由里往外依次施工,對陷落柱注漿加固。

注漿水灰比:淺部封堵鉆孔注漿采用聯邦雙液注漿材料,水灰比為0.8:1;深部加固鉆孔注漿采用聯邦單液注漿材料,水灰比為0.6:1。

注漿壓力:注漿壓力對注漿效果影響較大,根據工作面煤巖體強度情況,選擇淺部封堵鉆孔注漿壓力4 MPa ～8 MPa,深部加固鉆孔最大注漿壓力控制在12 MPa ～15 MPa。

選用聯邦注漿材料,具有細度高,懸浮性好,漿液均勻等特點,在流動和靜置條件下均不會發生沉淀,且材料細度足夠,可以滲入微小裂隙,起到更好的擴散效果,施工性能好。通過加入外加劑,減小水灰比至0.6:1,漿液具備40 min左右良好的流動性,滿足漿液制備、管路輸送、孔內流動擴散所需時間,1 h后變稠至膠水狀,防止漿液流失,10 h后強度快速增長;強度增長快。由于采用較小的水灰比,且細度高提高了材料的活性,強度增長迅速,1 d單軸抗壓強度16 MPa以上,3 d單軸抗壓強度25 MPa以上,滿足工作面快速推進的時效性要求。

4 井下試驗

4.1 工程量

深部加固鉆孔注漿施工結束后,對23091巷和23092巷注漿鉆孔量進行統計分析,23091巷深部加固鉆孔17個,累計鉆孔進尺1 360m,累計注漿量59.9 t,平均注漿量為3.5 t/孔;23092巷深部加固孔17個,累計鉆孔進尺1 445 m,累計注漿量57.6 t,平均注漿量為3.4 t/孔。

4.2 注漿區域效果

淺部封堵注漿后,一方面有利于淺層封堵漏漿通道,另一方面使工作面上下端頭三角區煤體得到加固,有利于工作面上下端頭的維護。

2309工作面揭露陷落柱后,深部加固區域工作面煤壁整體平直,陷落柱周邊煤巖交界處出現幾次小范圍片幫,出現在陷落柱與煤體交界位置附近,范圍不超過3個支架,片幫深度小于0.5 m,未出現冒頂、壓架現象。陷落柱內部存在大塊矸石硬核,需進行爆破處理通過,對工作面推進速度有一定影響。揭露發現陷落柱內無水。

通過回采發現,對于內部為致密堅硬矸石的陷落柱,其周邊煤巖交界處的破碎區域為注漿加固的重點區域。

5 結論

1)陷落柱其周邊煤巖交界處的破碎區域為注漿加固的重點區域;通過對2309工作面JDX16陷落柱研究,選取陷落柱內部及其周邊15 m范圍內進行注漿加固。

2)采用深淺孔配合注漿方式,淺孔注漿封堵表層裂隙,形成止漿層,防止深孔注漿漏漿,并加固淺層煤體;深孔注漿加固陷落柱與煤體交界面附近區域及陷落柱內部;深孔加固陷落柱層位范圍為機采高度中上部和機采高度上方2 m頂板,防止片幫冒頂。

3)2309工作面通過采取注漿方案治理后,安全通過陷落柱影響區域,對類似工程條件工作面安全回采具有一定的借鑒意義。