高瓦斯综放工作面陷落柱影响区精准超前深孔注浆加固研究

李文洲

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013 )

近年来我国煤矿产量逐年增加，造成采掘衔接紧张。部分矿区工作面回采过程中由于地质构造等的存在，造成工作面部分区域地应力赋存状态复杂，应力分布集中，煤岩体破碎，严重影响工作面的正常回采，不仅造成煤炭产量的减少，而且大大降低了工作面及矿井的服务年限。对于高瓦斯矿井来说，陷落柱等影响范围造成瓦斯集聚，对工作面的正常回采等造成很大的安全隐患，增加了煤矿安全管理成本。因此如何有效降低陷落柱等地质灾害对工作面回采的影响，提前对断层、陷落柱等地质灾害进行预加固处理，减小对工作面回采的影响，已成为高瓦斯工作面回采过程中面临的主要问题。

1 生产地质条件

山西潞安矿务局常村煤矿S3-13工作面位于山西省长治市屯留羿神110kV变电站南部，老军庄村东部。地面标高+936.6～+939.5m，S3-13工作面煤层底板标高+435～+482m。

S3-13工作面呈矩形，走向可采长度1461m，倾斜长度228m，煤层平均厚度5.8m，采高3.0m，采放比1.1∶1，循环进度0.75m，采出率93%，工作面煤层倾角0～7°，可采指数1.0，煤层坚固性系数为0.98。距S3轨道下山下部延伸段北帮417m停采。主采煤层为3号煤，含夹矸1层，厚度为0.34m。3号煤上部发育有7，8，9，10，11，12号6个砂岩含水层，除7，8号含水层距3号煤层较近外，其他含水层距3号煤层较远，而7，8号含水层为弱含水层。根据三维地震勘探二次解释及打钻探测结果显示：距切眼南帮245.3～279.6m、距S3-13胶带巷西帮5.8～71.2m位置，发育有aXn9陷落柱，陷落柱不导水，陷落柱的存在对工作面的安全回采造成严重影响。

2 陷落柱影响范围围岩结构及应力分布规律分析

2.1 S3-13工作面陷落柱分布范围

对S3-13高瓦斯综放工作面回采造成影响的主要为陷落柱aXn9，为了详细了解陷落柱影响范围及相关情况，采用三维地震勘探及打钻进行了探测，以现场标记位置P1为基点，共布置7个探测点，如图1所示，探测点布置参数及探测结果见表1。

图1 aXn9 陷落柱范围

钻孔位置(以P1为基点)角度/(°)深度/m钻孔结构1号P1往南15.8m+57013.5m煤+30m岩+6m煤+20.5m岩+868.513.5m煤+45m岩+10m煤+106213m煤+34m岩+15m煤+127013m煤+47m岩+10m煤2号P1往南0.8m+7727.5m煤+64.5m岩+9786m煤+64.5m岩+7.5m煤+1180.56m煤+64.5m岩+10m煤3号P1往北15.8m+108080m全煤4号P1往南30m+97575m全煤5号P1往南23m+97070m全煤6号P1往北9.5m+108023.5m煤+46.5m岩+10m煤7号P1往北12.5m+1068.530m煤+28.5m岩+10m煤

S3-13工作面aXn9 陷落柱的探测显示，陷落柱距S3-13工作面切眼南帮245.3～279.6m、距S3-13胶带巷西帮5.8～71.2m，陷落柱东边界距胶带巷西帮6m，北边界距切眼南帮246m。陷落柱不导水，aXn9陷落柱东西方向长65.8m，南北方向长35.5m。

2.2 地应力分布影响

采用小孔径水压致裂测量方法对S3-13工作面地应力情况进行了现场测试。测试结果表明，工作面最大水平主应力值为12.5MPa，最小水平主应力为6.95MPa，垂直主应力为9.58MPa，最大水平主应力方向为N33.4W，工作面属于构造型应力场。

2.3 陷落柱影响区域围岩结构窥视

为了对 S3-13工作面陷落柱aXn9围岩结构及赋存状态进行探测，在S3-13工作面胶带巷共布置4个窥视孔，孔深为30m。通过对围岩结构的调查，aXn9陷落柱影响区域围岩裂隙发育，部分位置围岩剥落，裂隙中胶结物充填，部分胶结物泥化；部分位置存在流水现象，对陷落柱裂隙充填物造成较大影响，围岩强度较低。

3 陷落柱煤体壁侧深孔注浆综合加固研究

3.1 注浆浆液的改进

通过前期陷落影响区域围岩结构及位置的精准调查，结合高瓦斯综放工作面的情况，精准超前注浆材料以32.5MPa普通硅酸盐水泥为主材，针对水泥浆液粘结性较差的特点，开发了新型水泥添加剂，与水泥水玻璃双液浆配合使用，水泥浆水灰比范围0.6～0.8，现场实际添加剂用量为水泥重量的8%～10%。通过拉拔方式对复合浆液结石体粘结强度进行了实验室测试，粘结强度试验采用直径32mm钢管的人造钻孔，长400mm，一端封闭；采用直径22mm高强锚杆为拉拔杆体，长1000mm；锚固剂为改性浆液，锚固长度300mm。 对不同水灰比、不同添加剂等参数情况下粘结性能进行了测试，测试结果如图2所示。

由图2可知，随着浆液凝固时间的增加，试样粘结性能逐渐增强，锚固浆液凝固7d后，粘结力达到85kN，比不加添加剂时粘结性能提高了60%。试验表明：水泥浆水灰比0.7，实验室添加剂用量为水泥重量的10%～15%时，浆液结石体粘结效果最好。

图2 不同水灰比改性液用量与抗拔力间关系曲线

3.2 陷落柱煤体壁侧精准超前深孔注浆加固方案

3.2.1 加固范围及材料

根据陷落影响区域围岩结构的调查结果，确定加固范围为S3-13胶带巷陷落柱影响范围40m。

S3-13工作面中下部煤体注浆加固采用32.5MPa普通硅酸盐水泥水玻璃浆液，配合水泥浆添加剂(粘结改性液)，水泥添加剂用量为水泥重量的15%，中上部煤体采用粘度低、渗透力强、固结强度高的化学浆(天地加固101)，由A，B双组份以1∶1构成。A，B双组份混合后的固化时间为30～60min。封孔采用长450mm,直径42mm橡胶封孔器。

3.2.2 注浆工艺

(1)水泥改性浆液注浆参数 根据胶带巷煤层和陷落柱相对位置关系，共布置2排水泥注浆孔，距离底板分别为1.4m和1.8m， 间距3m，孔深70m，注浆孔水平方向垂直于煤壁，仰角分别为7°和8°59′，水泥注浆孔布置如图3所示。钻孔过程中利用原有的瓦斯抽放孔，如果塌孔严重，在孔口埋入孔口管，进行孔内注浆护壁(造壁)。护壁注浆结束，待浆液初凝后，抽出孔口管。采用分段后退式高压注浆。由孔底向孔口分3段注浆，孔底向外第1段长度25m，第2段长度25m，第3段长度20m，塌孔护壁注浆压力3～5MPa，加固注浆压力25～30MPa。

图3 S3-13工作面胶带巷水泥注浆孔布置

(2)化学浆注浆参数 为了提高注浆效果，根据现场情况，增加一排化学注浆孔，距离底板1.8m，间距4m，孔深70m，垂直巷帮水平转角和仰角分别为0°和9°26′，化学注浆孔布置如图4所示。注浆方式为后退式分段分区注浆，注浆孔从孔底到孔口分3段，第1段长度25m，第2段长度25m，第3段长度20m，注浆压力10～12MPa。

图4 S3-13工作面胶带巷化学注浆孔布置

4 加固效果及评价

现场施工完毕后，为了检验注浆效果，采用地质雷达和开挖的方式对注浆效果进行了检测，注浆效果检测结果如图5～图7所示。由图可知，雷达图波形均匀分布，说明注浆后煤岩体完整。通过现场开挖，当S3-13工作面回采到达陷落柱影响范围后，工作面煤体完整，没有出现煤壁片帮、漏顶等情况，注浆效果较好。通过对高瓦斯综放工作面陷落柱深孔预注浆加固处理，恢复了煤岩体的完整性，提高了陷落柱附近区域煤岩体的强度，保证了工作面的安全回采。

图5 注浆效果检测

图6 现场揭露陷落柱中的注浆体

5 结 论

(1)针对常村煤矿S3-13工作面陷落柱等地质问题，通过三维地震解析及钻孔对陷落柱aXn9影响区域进行了精准调查，陷落柱长轴65.8m，短轴35.5m，导水性差。陷落柱东边界距胶带巷西帮6m，北边界距切眼南帮246m。通过现场地应力测试，得出了陷落柱aXn9区域的地应力的分布特征，确定了陷落柱的影响范围。

(2)开发了用于提高浆液结石体粘结性能的添加剂(水泥改性液)，提高普通硅酸盐水泥浆液与煤体粘结性较差的缺点，通过实验室锚杆拉拔对不同水灰比、不同改性液用量、不同凝固时间浆液粘结力进行了试验，水泥浆水灰比0.7，水泥浆添加剂(粘结改性液)用量为水泥重量的15%左右，浆液结石体粘结效果最好。

图7 现场煤体裂隙中的浆体

(3) 根据S3-13工作面陷落柱不同位置煤岩体的破坏特征，确定采用分段后退式复合高压注浆对陷落柱进行预加固处理，水泥注浆压力不小于25MPa，注浆压力10～12MPa，注浆完毕后，采用现场开挖和地质雷达监测的方法对陷落柱附近煤岩体进行了检测，陷落柱影响区域围岩完整，注浆效果较好。