綜采工作面過陷落柱注漿加固技術(shù)應(yīng)用研究

吳佐偉

（山西晉煤集團趙莊煤業(yè)，山西 長治 046605）

1 工程概況

晉煤集團趙莊礦1309 工作面回采3#煤，應(yīng)用一次采全高的綜合機械化采煤工藝，工作面走向長度為2753 m，傾向長度為219 m，煤層產(chǎn)狀穩(wěn)定，煤厚平均4.8 m，煤層傾角平均3°，為近水平煤層。工作面的直接頂為10.2 m 厚的砂質(zhì)泥巖，基本頂為6.1 m 厚的細粒砂巖，直接底為7.3 m 厚的砂質(zhì)泥巖，基本底為10.6 m 的粉砂巖。工作面的頂?shù)装寰琴|(zhì)地堅硬的巖層，比較穩(wěn)定。工作面回采前，礦方通過槽波探測發(fā)現(xiàn)，在1309 工作面前方235 m 處有一處陷落柱，命名為JX97，完全覆蓋13091 巷道，并且在工作面煤體覆蓋最大深度近30 m，沿工作面的走向長約40 m。陷落柱形態(tài)位置如圖1。

圖1 陷落柱位置及形態(tài)示意圖

2 注漿加固方案設(shè)計

注漿加固是一種常用的提高破碎煤巖體強度的方式。當(dāng)連續(xù)介質(zhì)中存在發(fā)育的裂隙時，在煤體承載過程中，會有較強的應(yīng)力集中，在裂隙的端部最大[1-3]。注漿后，漿液能將裂隙填滿，并且因為漿液可以將無法充填到的細小裂隙壓密，會使煤體裂隙端部的應(yīng)力集中減弱。此外，當(dāng)陷落柱內(nèi)部破碎時，就會由三向應(yīng)力轉(zhuǎn)化為兩向應(yīng)力，而注漿加固后能使煤體重新轉(zhuǎn)換為三向受力狀態(tài)從而增大破碎煤體塑性，進而增強煤體的強度[4-5]。因此根據(jù)地質(zhì)條件設(shè)計合理的注漿加固方案能有效解決工作面過陷落柱的問題。

注漿加固的時機選擇在工作面臨近陷落柱時，加固范圍是陷落柱走向前后各20 m，共80 m 范圍。由于考慮采動影響對陷落柱產(chǎn)生擾動會使煤壁部分更破碎，計劃首先實施淺孔注漿加固端頭防止煤壁裂隙及錨索孔等形成漏漿通道，其次采用中深孔注漿的方式加固采煤機端頭部分煤體，最后實施深孔注漿，提高陷落柱內(nèi)部煤體的完整性。

2.1 注漿鉆孔布置

（1）淺部注漿孔設(shè)計。淺孔注漿主要是加固工作面沿走向進出陷落柱的前后15 m 范圍，共計70 m。注漿孔深設(shè)計為6～8 m，鉆孔平行布置，間距為2.4 m，上下兩排鉆孔相距80 cm，上排鉆孔距離頂板1.3 m，下排鉆孔距離底板1.8 m，注漿孔垂直于煤壁。淺部注漿鉆孔布置如圖2。

圖2 淺部注漿鉆孔布置圖

（2）中深部注漿孔設(shè)計。中深注漿鉆孔的施工范圍與淺孔注漿的范圍一致，同樣為70 m。鉆孔沿著巷道幫部中線設(shè)計一排，距離頂?shù)装寰鶠?.2 m，鉆孔直徑選用94 mm，鉆孔深度為20 m，鉆孔角度6.5°，鉆孔間距為3.6 m。

（3）深部注漿孔設(shè)計。深部注漿鉆孔的施工范圍是沿著工作面的走向，距離切眼215～295 m 的范圍，即前后進出陷落柱各20 m，一共長約80 m。同樣沿著巷幫中線布置一排，與中深部鉆孔交叉布置，鉆孔直徑與中深部注漿鉆孔一致，鉆孔間距同樣為3.6 m，鉆孔的深度為50 m，鉆孔角度為4.5°。深部注漿鉆孔布置示意圖如圖3。

2.2 注漿材料選擇及性能分析

根據(jù)設(shè)計注漿方案，需要選取相應(yīng)的注漿材料。淺部注漿需要漿液快速凝結(jié)，深部注漿需要提高陷落柱內(nèi)部的煤體完整性，提高其承載能力，因此注漿需要具備快速凝結(jié)、強度增長速度快、最終強度高等特點。根據(jù)需求，計劃選擇固邦注漿材料，該材料是單一無機組分，不會影響煤質(zhì)，并且流動性強，結(jié)實率高，有較好的應(yīng)用效果。

圖3 深部注漿鉆孔布置圖

圖4 注漿材料抗壓強度增長特征

抗壓強度是評價注漿材料性能的重要參考指標。因此，選擇注漿材料水灰比為0.6:1，澆筑在70 mm 見方的模具中，脫模后放入標準水泥試樣養(yǎng)護箱中，在溫度20 ℃、相對濕度大于95%條件下，養(yǎng)護不同齡期分別為1 d、3 d、7 d 后，在DYE-300液壓伺服試驗機上測試其抗壓強度。試驗時首先要保證試樣的端部以及壓力機的壓頭平整，加載模式選擇固定載荷控制，按照0.3～0.5 MPa 的加載速率，試樣破壞卸載后立即關(guān)閉進液閥，停止加載。每種齡期各進行三次試驗，取試樣相應(yīng)強度的平均值，并繪制注漿材料強度增長曲線，如圖4。

由圖4 可知，注漿材料1 d 的抗壓強度約為18.5 MPa，初期強度增長較快；3 d 的抗壓強度為28 MPa，單軸抗壓強度增長速率降低；在養(yǎng)護7 d后試樣的抗壓強度約為32 MPa。由此可見，0.6 水灰比的注漿材料能滿足三種注漿孔類型的注漿加固需求。

為了盡量降低成本，在三次注漿加固時，淺部、中深部和深部采用不同水灰比的注漿材料。由于陷落柱的深部裂隙比較發(fā)育，需要強度較高的注漿材料，因此水灰比選擇0.6:1；淺部的注漿主要為了封鎖漏漿通道，因此需要短的凝結(jié)時間，但強度需求不高，因此選擇0.8:1 材料水灰比；中深部主要填補較小的裂隙，需要較高的流動性，因此選擇1.2:1的注漿水灰比。

3 現(xiàn)場施工及效果檢驗

采用液壓注漿泵，注漿壓力范圍為0～35 MPa，可以手動調(diào)節(jié)，液壓泵的最大流量為210 L/min，泵上安裝有進水閥，只需人工上料，通過調(diào)整水的流量大小就可以嚴格控制水灰比。注漿系統(tǒng)配備氣動攪拌桶，根據(jù)注漿量的需求調(diào)節(jié)個數(shù)，加上相應(yīng)的管路和混合器組成，注漿系統(tǒng)整體簡易，移動便捷。

注漿壓力的設(shè)定根據(jù)注漿的孔深，中深孔設(shè)計為10～15 MPa，深孔注漿壓力保持在25 MPa 左右。注漿量沒有具體的規(guī)定，施工過程中，在液壓泵無法泵送，當(dāng)達到最大注漿壓力或者出現(xiàn)嚴重的漏漿現(xiàn)象時，暫停注漿，清理注漿管道。

圖5 注漿鉆孔窺視圖像

注漿結(jié)束后為了檢驗注漿效果，通過鉆孔窺視，觀察深孔25 m 和40 m 處的煤體。窺視圖像如圖5。根據(jù)圖像可知，深孔注漿效果良好，不同深度位置的孔內(nèi)孔壁光滑，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的裂隙發(fā)育，原生裂隙均被漿液充滿，漿液與煤體的固結(jié)效果良好，煤體的整體性得到提升。

同時通過對比沒有陷落柱區(qū)域與注漿加固區(qū)域巷道變形量發(fā)現(xiàn)，陷落柱注漿加固區(qū)域巷道變形量比正常回采時巷道變形量減小。

正常回采區(qū)域巷道圍巖最大頂板下沉量約為280 mm，兩幫移近量約為160 mm，并且在回采過程中有局部片幫現(xiàn)象；而經(jīng)過注漿加固的區(qū)域，巷道最大頂板下沉量為300 mm，兩幫移近量減小至90 mm，工作面推過陷落柱區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)明顯的片幫現(xiàn)象。鉆孔窺視和巷道變形觀測結(jié)果表明，注漿材料的水灰比選擇合理，煤體加固效果良好。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)陷落柱的形態(tài)和1309 工作面的地質(zhì)條件，設(shè)計了淺、中深、深部分次聯(lián)合的注漿加固方案。

（2）試驗測試了注漿材料性能，分析了注漿材料的抗壓強度增長特征，并根據(jù)注漿需求選擇不同，將淺孔水灰比設(shè)計為0.8:1，中深孔注漿水灰比為1.2:1，深部注漿材料水灰比為0.6:1。

（3）通過鉆孔窺視發(fā)現(xiàn)，漿液能較好地充填煤體裂隙，煤體整體穩(wěn)定性提高。注漿前后巷道穩(wěn)定性提高，巷道變形量減小，工作面順利通過陷落柱區(qū)域。