超前预注浆技术在工作面过陷落柱技术探析与实践

张云峰

（山西高河能源有限公司 ，山西 长治 047100）

0 引 言

随着我国煤炭资源的逐渐大规模开采与煤炭开采方法的创新，地质条件复杂煤炭资源的开采逐渐成为热点问题[1]。陷落柱是众多复杂地质条件中最为常见的一种。陷落柱是在地质成煤后，煤层底板岩层中的溶洞坍塌引起的覆岩整体破坏后形成的类柱状坍塌体[2]。山西各个主要矿区均有大量的陷落柱存在，陷落柱对煤矿开拓系统、准备系统以及回采系统的影响较大[3]。同时，陷落柱严重影响煤层顶板的强度，当煤层开采时，极易与含水层沟通，导致煤矿透水事故发生[4]。

众多学者针对这一问题进行了研究。学者张村[5]建立了陷落柱厚筒壁力学模型，结合数值模拟对陷落柱周围应力分布，确定了落柱保护煤柱宽度，实现了金庄矿8203工作面的安全回采。学者赵国飞[6]利用多种实验室试验方法，分析盐酸软化对岩石微观结构以及宏观力学性质的影响，确定了煤矿工作面直接过陷落柱的盐酸浓度与配比，并进行了工程应用。这些研究虽然提出了一些工作面过陷落柱方法，但这些方法都有较为明显的限制。

本文基于高河矿W4301工作面过Xw15陷落柱的工程实际，在工作面地质报告的基础上，通过工作面超前预注浆技术，对陷落柱进行加固处理，保障工作面工作面回采时的顶底板稳定性。

1 工作面陷落柱概况与水文地质情况

高河矿W4301工作面目前准备回采，根据地测部提供的三维地震勘探及实际钻探结果，工作面前方4m处将通过Xw15陷落柱，Xw15陷落柱位于西四盘区，W4301工作面内的西南角，最近点距离W4301切眼巷4m，距离W4301进风巷70.8m，平面形态为近椭圆状，其长轴为东西方向，长轴长75m，短轴为近南北方向，短轴长53m，面积约3120m2，如图1所示。

图1 Xw15陷落柱分布范围

根据前期钻探所取岩芯分析，岩石较为破碎，陷落柱内部岩石胶结性较差，同时根据探测显示Xw15陷落柱内无出水、漏水、渗水现象，判断该陷落柱为不导水陷落柱。

2 工作面超前预注浆技术

2.1 注浆前准备工作

1）超前钻探。工作面回采前，在工作面煤墙布置水平探眼，以确定陷落柱具体位置。

2）设备设施及支护材料的准备。为保证安全生产，满足现场需要，必须在回采前准备如下材料。

进风顺槽超前棚外备用单体柱、工字钢、大板、半圆、晋安加固Ⅰ号[7]等材料。

工作面低洼点安放风泵、隔膜泵及排水管备用。

进风顺槽超前棚内备用割管工具、破岩工具。

3）预注浆加固。根据地质资料，工作面回采后，陷落柱会首先在146#-152#架揭露，故工作面回采前，进行预注浆加固；并经现场揭露校正陷落柱边界，提前对陷落柱边界的煤岩分界处进行注浆。另外，工作面回采揭露陷落柱以后，根据工作面揭露的陷落柱岩石破碎及胶结情况进行注浆。

2.2 施工工艺

1）施工工艺工序。工作面陷落柱超前探测→工作面探测到陷落柱段煤岩分界处预注浆加固→采煤机推进（取钢管）、工作面顶板、煤墙破碎区域注浆加固、工作面打设瓦斯参数测定孔→工作面陷落柱煤岩分界点超前探测→下一个循环。

2）超前探施工工艺。超前探测分两种情况，一是工作面回采前，分别在支架前方煤墙使用风动煤钻打眼，探眼平行顺槽方向，探明工作面首先揭露范围及未来20m内陷落柱的揭露范围；二是工作面正常推进后，每推进8m，在陷落柱揭露范围左右各10m范围内，平行顺槽方向打探眼，以探明推进方向8m范围内的陷落柱边界位置，便于提前对边界注浆，如图2所示。

图2 工作面陷落柱超前探视图

3）注浆加固工艺。注浆时必须根据超前探数据，提前对陷落柱边界的煤岩分界处进行注浆；根据工作面揭露的陷落柱岩石破碎及胶结情况进行顶板或煤墙注浆，如图3所示。

图3 工作面过陷落柱期间注浆孔布置图

2.3 注浆材料、设备及技术参数

注浆孔布置：使用风动煤钻打孔，孔深8m，孔径42mm，下排孔距底板1.5m，垂直煤墙或巷帮打设，上排孔距底板2.5m，仰角30°（1m抬高0.5m）打设，注浆孔水平间距3m，三花布置，循环步距4m。

注浆泵：整机重120kg，长×宽×高：1000mm×600mm×1000mm，动力源为高压风动，进气压力0.4～0.6 MPa，注浆压力 0～12MPa。

注浆材料：采用潞安民爆的晋安加固Ⅰ号注浆材料（双组份A料、B料）。

2）采用晋安加固Ⅰ号注浆材料注浆工艺流程如图4所示：

图4 注浆工艺流程

首先按照设计的钻孔位置、参数和规定的施工顺序进行钻孔并检测钻孔质量，然后安装注浆管及封孔部件，在确保管路通畅、设备正常的情况下，准备浆液，开泵注浆，完成注浆工作，最后清洗系统。具体施工工序如下：①开启气源开关试运行注浆泵（用清水试泵、观察出水情况）。②开启搅拌机观察搅拌机是否运转正常。③连接孔口混合器和注浆管。④注浆系统试运转并确认正常后，根据现场配置的吸浆设备容器，配料工将等量的A、B料分别加入各自的吸浆桶内，并时刻关注其余量，及时加料。⑤在确认注浆管路与封孔器等连接正确后，开泵注浆。⑥待注浆压力达到12MPa或煤墙出现流浆的现象时，关闭气源开关、注浆泵结束单孔注浆。⑦按同样的程序对第二个孔进行注浆。⑧注浆完毕后，拆除孔口混合器和注浆管。⑨注浆施工完毕后，在搅拌机中加入清水，开启注浆泵进行洗泵。

3 回采工艺

1）工作面陷落柱揭露边界位置前后10m以外区域，采用正常循环工艺回采。

2）工作面陷落柱揭露边界位置前后10m区域，机组速度降至0.5～1m/min。

3）根据地质资料预测陷落柱揭露位置与推进进尺变化关系。

4）回采正规循环工序。割煤至陷落柱边界→采煤机割煤装岩、前溜开空→逼帮、锯管→割煤至陷落柱边界→下一个循环。每天按2刀煤为一个正规循环组织。

5）工作面陷落柱影响区采用采煤机配合放炮破岩的方式推进。若陷落柱揭露后，岩石普氏硬度系数在4以下，可不必放炮，直接采用采煤机截割；若陷落柱整体或局部（长、宽、高大于2m）有普氏硬度系数达到4的矸石，则进行放炮破碎。

4 结 论

本文依托高河矿W4301工作面过Xw15陷落柱的工程实际，以实现工作面不搬家倒面，工作面回采工作较为便捷的工作面直接过陷落柱为目标，在工作面超前探视的基础上，对工作面陷落柱进行了较为全面的分析，确定工作面陷落柱的具体方位与几何尺寸，通过工作面超前预注浆技术，对陷落柱进行加固处理、对陷落柱不稳定边界进行了处理，切实保障工作面工作面回采时的顶底板稳定性，防止突水事故的发生。同时，确定了回采工作面的回采工艺，实现了工作面快速过陷落柱，保证了工作面安全、高效回采。