综放工作面过陷落柱注浆技术研究

李胜利,王新颖,朱萌萌

(1.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 赵庄二号井,山西 长治 046600;2.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 长平公司,山西 晋城 048006;3.山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 生产技术处,山西 晋城 048006)

1 工程背景

赵庄二号井2309综放工作面走向长1 500 m,倾斜长160 m,煤厚4.2 m,煤层为3#煤层,布置23091和23092两条顺槽。

通过使用三维勘探技术,结合钻探验证,发现工作面内发育有陷落柱JDX16。JDX16陷落柱走向上影响范围为距离巷口800 m～880 m,倾向上影响范围为距离23091巷60 m～100 m,对工作面回采影响较大。JDX16陷落柱与工作面间相对位置如图1所示。

图1 JDX16陷落柱与工作面位置关系图

陷落柱及其周边围岩应力复杂,煤岩体节理裂隙发育,煤岩体强度低,工作面回采过程中易出现片帮、冒顶等影响工作面安全开采的问题[1-2]。本文拟对陷落柱影响范围及注浆加固技术进行研究,给出合理的注浆加固方案,防止出现片帮及冒顶事故,保障工作面安全开采,并进行治理效果监测。

2 陷落柱影响范围研究

2.1 槽波探测及钻探分析

2309工作面0～1 000 m槽波探测结果如图2所示,根据槽波探测结果,并结合井下钻探结果(钻进过程中发现矸石有软硬变化情况),JDX16陷落柱内部有软、硬矸区域,陷落柱煤岩交界处13m范围内煤岩体节理裂隙发育,煤岩体破碎、强度低,承载能力差,该处在工作面回采过程中极易出现片帮情况,从而易引起工作面冒顶、压架等现象,是JDX16陷落柱治理的重点区域。

图2 2309工作面0～1 000 m槽波探测结果

2.2 数值模拟计算分析

通过使用FLAC3D软件建立数值模拟模型,建立模型如图3所示。

模型设计尺寸X×Y×Z=260 m×250 m×100 m,共划分网格63 616个,节点70 653个。依据实际情况设立岩石力学参数及边界条件,其中陷落柱及接触面力学参数根据经验值选为正常岩层的0.65,使用接触面Interface模拟陷落柱边界,采用大变形模式进行模拟计算。选沿工作面推进方向陷落柱中心切面为监测切面。

图3 数值模型

模型材料主要参数如表1所示。通过计算得出结果见图4、图5。

表1 模型主要岩石物理力学参数

图4 工作面进入陷落柱前后计算结果

图5 工作面出陷落柱前后计算结果

通过图4、5所示计算结果,可以看出,陷落柱内部及陷落柱边缘以外10 m范围内,在回采过程中出现塑性区范围较大的情况,是陷落柱明显影响区,应从陷落柱边界向外至少10 m范围作为JDX16陷落柱治理的重点区域。

综合槽波探测、钻探分析及数值计算结果,同时考虑误差情况的存在,选择对陷落柱边界15 m范围内进行注浆治理。

3 注浆方案及钻孔布置

为保障JDX16陷落柱煤岩交界处破碎煤岩超深孔注浆加固效果,采用浅孔和深孔配合的方法,浅孔注浆将煤岩体表层裂隙封堵,形成止浆层,防止深孔注浆时漏浆,并加固浅层煤体[3-5];深孔注浆加固JDX16陷落柱与煤体交界面附近区域及陷落柱内部(预计陷落柱内有水,需穿透注浆),深孔注浆施工时在工作面23091巷及23092巷分别施工。

6-a 加固区钻孔布置平面图

6-b 加固区钻孔布置剖面图

如图6所示,深孔加固范围水平投影覆盖陷落柱边界15 m范围,垂直方向为机采高度中上部和机采高度上方2 m顶板。设计两排钻孔,下排钻孔加固机采高度中上部,防止片帮,终孔位置在机采范围顶部下方0.8 m;上排钻孔加固机采高度上方2 m顶板范围,防止冒顶,终孔位置在机采范围顶部上方1 m。23091巷钻孔设计深度80 m,23092巷钻孔深度设计85 m,中间5 m相互交叉覆盖。

3.1 浅部封堵

在JDX16陷落柱影响范围对应巷道区域施工浅孔,浅部封堵钻孔分上下两排,孔深8 m,上排孔开孔高度距离底板2 m,钻孔间距2 m,垂直于煤帮;下排孔开孔高度距离底板1 m,钻孔间距2 m,垂直于煤帮。共布置82个钻孔,孔径均为42 mm。钻孔布置平面图如图7所示。

图7 巷道浅部钻孔布置图

3.2 深部加固

3.2.1进风顺槽深部加固钻孔参数

由于23091巷为皮带进风巷,皮带输送机影响深部加固钻孔施工,故该巷深部加固钻孔呈单排布置。钻孔开孔高度距离底板1.5 m,钻孔间距5 m,孔深80 m,孔径Φ75 mm,共布置17个钻孔,钻孔布置如图8所示。

图8 23091巷深部加固钻孔布置图

3.2.2回风顺槽深部加固钻孔参数

23092巷为轨道回风顺槽,深部加固钻孔分上下两排,上排孔开孔高度距离底板2 m,钻孔间距10 m,孔径Φ75 mm;下排孔开孔高度距离底板1 m,钻孔间距10 m,孔径Φ75 mm。共布置17个钻孔,钻孔深度均为85 m,钻孔布置平面图如图9所示。

图9 23092巷深部加固钻孔布置图

3.3 施工工艺

施工顺序:先施工浅部注浆孔,由先下后上的顺序依次施工,对表层注浆封堵;后施工深孔,打一个注一个,由里往外依次施工,对陷落柱注浆加固。

注浆水灰比:浅部封堵钻孔注浆采用联邦双液注浆材料,水灰比为0.8:1;深部加固钻孔注浆采用联邦单液注浆材料,水灰比为0.6:1。

注浆压力:注浆压力对注浆效果影响较大,根据工作面煤岩体强度情况,选择浅部封堵钻孔注浆压力4 MPa ～8 MPa,深部加固钻孔最大注浆压力控制在12 MPa ～15 MPa。

选用联邦注浆材料,具有细度高,悬浮性好,浆液均匀等特点,在流动和静置条件下均不会发生沉淀,且材料细度足够,可以渗入微小裂隙,起到更好的扩散效果,施工性能好。通过加入外加剂,减小水灰比至0.6:1,浆液具备40 min左右良好的流动性,满足浆液制备、管路输送、孔内流动扩散所需时间,1 h后变稠至胶水状,防止浆液流失,10 h后强度快速增长;强度增长快。由于采用较小的水灰比,且细度高提高了材料的活性,强度增长迅速,1 d单轴抗压强度16 MPa以上,3 d单轴抗压强度25 MPa以上,满足工作面快速推进的时效性要求。

4 井下试验

4.1 工程量

深部加固钻孔注浆施工结束后,对23091巷和23092巷注浆钻孔量进行统计分析,23091巷深部加固钻孔17个,累计钻孔进尺1 360m,累计注浆量59.9 t,平均注浆量为3.5 t/孔;23092巷深部加固孔17个,累计钻孔进尺1 445 m,累计注浆量57.6 t,平均注浆量为3.4 t/孔。

4.2 注浆区域效果

浅部封堵注浆后,一方面有利于浅层封堵漏浆通道,另一方面使工作面上下端头三角区煤体得到加固,有利于工作面上下端头的维护。

2309工作面揭露陷落柱后,深部加固区域工作面煤壁整体平直,陷落柱周边煤岩交界处出现几次小范围片帮,出现在陷落柱与煤体交界位置附近,范围不超过3个支架,片帮深度小于0.5 m,未出现冒顶、压架现象。陷落柱内部存在大块矸石硬核,需进行爆破处理通过,对工作面推进速度有一定影响。揭露发现陷落柱内无水。

通过回采发现,对于内部为致密坚硬矸石的陷落柱,其周边煤岩交界处的破碎区域为注浆加固的重点区域。

5 结论

1)陷落柱其周边煤岩交界处的破碎区域为注浆加固的重点区域;通过对2309工作面JDX16陷落柱研究,选取陷落柱内部及其周边15 m范围内进行注浆加固。

2)采用深浅孔配合注浆方式,浅孔注浆封堵表层裂隙,形成止浆层,防止深孔注浆漏浆,并加固浅层煤体;深孔注浆加固陷落柱与煤体交界面附近区域及陷落柱内部;深孔加固陷落柱层位范围为机采高度中上部和机采高度上方2 m顶板,防止片帮冒顶。

3)2309工作面通过采取注浆方案治理后,安全通过陷落柱影响区域,对类似工程条件工作面安全回采具有一定的借鉴意义。