巨厚火成岩下采空区注浆充填减灾方案探析

文/马志强 任春辉

巨厚火成岩下采空区注浆充填减灾方案探析

文/马志强 任春辉

淮北矿业股份有限公司海孜矿井田中、西部沿5煤层侵入的巨厚火成岩，呈岩床分布，沿走向绵延长度6.5km。在19勘探线附近，地层有轻微褶曲，火成岩厚度突变，19勘探线以西厚度大于110m，最大厚度达174.2m，19勘探线以东厚度小于50m。火成岩在矿井西翼Ⅱ102采区分布稳定，其厚度一般大于 120m，距 10#煤层160m左右。Ⅱ102采区现已回采4个工作面，采空区倾向宽度接近400m，但巨厚火成岩仍然没有破断垮落，其下部产生了较大离层空间，使得采空区无法承载，形成了较大范围的高应力集中区域。

为解决Ⅱ102采区后续工作面巨厚火成岩下安全回采问题，淮北矿业委托中国矿业大学开展减灾试验研究项目。在对Ⅱ102采区地质开采条件进行分析的基础上，课题组通过对巨厚火成岩下离层分布、应力分布规律及致灾机理研究，制定了采空区注浆充填方案，包括注浆充填系统设计、注浆钻孔的布置、注浆层位的确定以及注浆充填工艺参数设计等。同时，鉴于注浆填充后，注浆浆体析水，采空区及其上部赋存大量老空水，因此课题组还对赋水情况进行分析，并对周边采掘工作面进行了安全评价。

一、采空区注浆充填试验方案

1.地面注浆充填钻孔布置

Ⅱ1022工作面上方有3个早期离层注浆充填孔，从注浆孔与Ⅱ1022工作面采空区平面位置关系来看，3个注浆孔 （编号分别为注1、注2、注3孔）排列比较均匀，钻孔间距满足注浆充填要求，即3个注浆钻孔均可利用，且能保证Ⅱ1022面沿走向形成合理的有效充填支撑体系。Ⅱ1024工作面内原有2个瓦斯抽放钻孔，可实施注浆充填（编号分别为注4、注5孔）。地面注浆充填钻孔位置关系如图1所示。

2.注浆充填层位

注浆层位包括采空区垮落带、中组煤下部离层带和火成岩下方20m范围内的离层带。为达到有效的充填承载墩柱效果，各钻孔最终注浆充填位置应进入10#煤层的垮落带。

3.注浆材料及配比

注浆充填原材料选用粉煤灰，浆体采用粉煤灰掺水配制而成。根据不同时期注浆充填的需要，可适量掺加水泥和其他骨料。设计浆液水灰质量比为0.76～1.18，具体数值可以在注浆工程中根据注浆难易程度进行适当调整。

二、注浆充填实施情况及涌水量观测

1.注浆充填实施情况

注浆充填过程中实际采用注浆充填钻孔6个，分别为前述的注1、注2、注3、注4、注5，后期又增补一个补3孔，主要用于检查与增强注浆效果。各钻孔注浆量见表1。

图1 Ⅱ102采区注浆充填钻孔设计位置图

2.注浆充填采区涌水量观测

Ⅱ102采区三中车场石门，用于垮落带注浆排水监测。86大巷内的1#、2#、3#放水钻孔，终孔位置位于Ⅱ1022工作面上方火成岩以下离层带位置处，主要用于离层带注浆排水监测。

三、注浆填充期间排水量分析

鉴于注浆填充过程中，注浆浆体析水，并逐渐在离层带、采空区内赋存大量老空水。因此，必须对其赋水情况进行分析，进而对周边工作面的采掘进行安全评价。

1.离层带注浆排水量

离层带注浆充填过程中，注浆析出水通过86大巷1#、2#、3#放水孔排出。各钻孔在注浆充填之前均处于干孔状态，注浆充填实施2个月之后，放水钻孔开始出水，初期有部分粉煤灰浆涌出，约持续7天左右后，开始持续放出清水。

分析认为，86大巷放水孔排出水均为离层带注浆析出水，钻孔出水量观测周期为每周观测一次。因此，实际统计注浆水排出量时采用分段累加方式（以相邻两次观测为一个时段），涌水量以该段的平均值计算，每天按24h计。经计算得出：1#放水孔排出注浆水量为88781m3；2#放水孔一直处于干孔状态；3#放水孔排出注浆水量为26124m3，离层带注浆时注浆水累计排出量为114885m3。86大巷内1#、2#、3#放水钻孔及部分采空区出水点位置如图2所示。

2.垮落带注浆排水量

垮落带注浆充填过程中，注浆析出水通过采空区自然出水点排出，部分出水点位置如图2所示。由于涌水量观测点为Ⅱ102采区三中车场石门，该涌水量既包括注浆排水，也包括老采空区正常涌水,涌水量观测周期为每周观测一次。因此，实际统计注浆水排出量时采用分段累加方式（以相邻两次观测为一个时段，该时段涌水量以该段的平均值减去不注浆时采空区的正常涌水量）,每天按24h计。经计算得出：垮落带注浆时排出注浆水量为53286m3。

3.注浆水平衡分析

（1）注浆水总注入量

注浆充填过程中累计注入的总水量为236314m3，如表1所示。

表1 各钻孔注浆量一览表（单位：m3）

图2 1#、2#、3#放水钻孔及部分采空区出水点位置

（2）注浆水去向

注浆充填后，一部分注浆水会被粉煤灰所吸附从而脱离自由状态；另外一部分水以自由水的状态存在，进入岩层空间后通过放水孔和垮落带出水点排出。

根据现场灰样的实测结果：1 m3的松散干粉煤灰形成压实灰浆后所含水体积为0.24m3，即压实灰浆状态下松散粉煤灰的体积含水率为24%。据此计算，粉煤灰的总吸水量为63711m3。

根据前述对水量实测的分析计算结果：离层带共排出注浆水量为115885m3，垮落带共排出注浆水量为54286m3，则采区累计排出注浆水量为170171m3。

（3）注浆水平衡计算

根据上述分析可知：地面累计注入水量236314m3，其中63711m3被粉煤灰所吸收，剩余水量为172603m3，与采区排出注浆水总量170171m3基本平衡，说明离层带和老采空区均无注浆水积聚。

四、结语

注浆后采区内涌水观测结果显示，注浆水剩余水量与采区排出水总量基本平衡，说明离层带和老采空区均无注浆水积聚，说明注浆水不影响周边工作面的安全生产。且Ⅱ1026工作面已回采完毕，老顶充分垮落，没有影响安全回采。因此，巨厚火成岩下采空区注浆充填减灾方案合理可行，注浆充填实施效果突出，保证了巨厚火成岩的稳定性，达到了防灾减灾的目的，为后续工作面的安全回采创造了条件。

（作者单位：淮北矿业股份有限公司）

（责任编辑：周琼）