8704 工作面过陷落柱注浆治理研究

郭 鹏

（晋能控股集团铁峰煤业有限公司，山西 右玉 037200）

1 工程概况

8704 工作面位于铁峰公司南阳坡矿307 盘区，是该盘区的首采面。煤层走向北西，倾向南东，倾角5°～8°。8 号煤层以黑色、半暗煤为主，玻璃光泽，夹镜煤条带及黄铁矿，断口呈平坦状、参差状，裂隙发育，煤层夹有2～3 层夹矸，均为泥岩。煤层赋存条件稳定。其上覆5 号煤层已被开采，地质构造简单，局部小裂隙发育。位于尾巷578～655 m 处揭露一陷落柱，长轴长77 m，短轴长38 m[1-2]。

陷落柱严重制约煤矿的正常生产，对煤层的顶底板造成破坏，影响正常回采。在工作面推进到陷落柱附近时，由于顶板和煤壁强度低，完整性差，无法起到承载作用，顶板的维护极其困难，容易发生漏顶事故，极大程度地减缓了工作面的推进速度，并造成了一定的安全隐患，所以为了回采的安全性，保证工作面能顺利通过此区域，必须要做好管控和治理[3-5]。

2 注浆加固机理分析与关键参数的确定

2.1 注浆加固机理分析

由于受陷落柱的影响，8704 尾巷578～655 m 处围岩破碎性高，破碎范围大，原有的支护在煤体中的最大深度才6 m 多，只能在很小的范围起到作用，深部的围岩根本无法得到改善，而且锚固剂与围岩的黏结比较分散，无法集中在一起，煤体的完整性差，锚固效果不理想，无法充分发挥支护效果。当工作面回采到陷落柱附近时，在高应力的影响下，不仅原有破碎加剧，而且新的裂隙产生，使围岩的条件变得更差。所以之前的支护无法满足要求，必须进行注浆加固[6]。

围岩注浆是通过钻孔，以一定压力将浆液注入到围岩的方法。当注入浆液后，浆液依靠自身的流动性可以快速填充到围岩的裂隙当中，注浆材料强大的黏结性将分离的岩体黏结起来，重新保持其完整性，此时岩体的强度明显增大，自身承载能力也大大提高，可以保持相对的稳定性；如果破坏范围大时，可以增加钻孔深度，使深部岩体的性能得到改善。

2.2 注浆对围岩塑性区的影响

为了研究注浆对围岩塑性区的效果，采用UDEC数值模拟软件进行模拟，模拟情况如图1 所示。

图1 注浆前后巷道围岩塑性区分布情况

图1 中深色区域为张拉破坏区，从图1 中可看出，在原有支护下，围岩破坏范围较大且帮部存在大量的张拉破坏区域，破坏情况远远大于顶底板，注浆后塑性区的面积明显缩小，张拉破坏区范围更是由原来的大片区域变为零星区域。在注浆后左帮最大破坏深度下降42%，右帮下降55%，底板下降47%，顶板下降33.3%，这说明注浆对于治理围岩破坏有着良好的效果[7-8]。

2.3 关键参数的确定

2.3.1 注浆压力的确定

为了研究注浆压力、水灰比对浆液扩散效果的影响，分别选择了5 组注浆压力和0.5∶1～1∶1 的水灰质量比，观察此范围内浆液在煤体径向和切向上的扩散情况，并据此将数据绘制成表，具体规律如图2 所示。

图2 注浆压力、水灰比与浆液扩散半径关系

根据图2 可以得到以下结论：

1）在一定范围内，浆液扩散半径与压力、水灰比呈现出正相关的关系，也就是说压力和水灰比的增加会增强浆液的扩散效果。在压力小于3 MPa 时，浆液在煤体径向上的扩散效果与切向相当，而超过3 MPa 后，切向上的扩散效果明显增加，最终成为主要的扩散方向。

2）在注浆压力较小的时候，注浆压力是扩散效果的主要影响因素，而随着压力的增大，曲线趋于平缓，此时水灰比的影响效果开始增强，逐渐成为了扩散效果的主要影响因素。

由上述分析可以知道，浆液的扩散效果是由注浆压力和水灰比共同决定的，一味的增加注浆压力效果不明显，所以根据实际情况确定最终的压力为4 MPa。

2.3.2 注浆材料的确定

联邦无机加固材料是一种具有多方面优点的新型的材料，所以本次注浆治理使用该材料。

2.3.3 水灰比的确定

由于水的流动性和渗透性强，所以在注浆压力相同的情况下，水灰比越大，浆液的扩散效果越好，由于此加固工程选的加固材料水灰质量比可在0.5∶1～1∶1 间调整，虽然本设计选用水灰比为0.6∶1～0.8∶1，但可根据现场裂隙情况进行调整。

3 注浆方案

3.1 注浆范围

针对8704 工作面陷落柱位置与结构情况，并依据注浆强化加固的作用机理，采用注浆的方式充填陷落柱周围煤岩层内部结构，以增强破碎煤岩块的摩擦力和整体性，提高其强度和承载能力，防止漏顶。对南阳坡矿8704 工作面回风巷标牌550～670 m 段进行注浆加固，施工范围120 m。

3.2 钻孔设计方案

钻孔垂直工作面煤墙布置，每组设计9 个钻孔，钻孔每组排距10 m，上部4 个钻孔为仰角孔（终孔穿过煤层顶板5 m），中部1 个钻孔为水平孔（终孔穿过陷落柱5～10 m），下部4 个钻孔为俯角孔（终孔穿过煤层底板5 m），具体钻孔参数如表1 所示，钻孔布置如图3 所示。

表1 钻孔参数表

图3 钻孔布置图（单位：mm）

3.3 施工工艺

1）施工流程：开孔钻进→下套管、固管→透孔试压合格→钻进至终孔→起钻验收孔深→注浆加固→终压封孔。

2）施工操作方法：先用Φ133 mm 钻头开孔，钻进过设计位置（一般超套管设计深度0.5～2.0 m）后，进行冲孔，将孔内岩粉、碎块冲洗干净。然后下入Φ108 mm 套管，套管下到设计深度后，向管内压入清水，冲洗套管的外壁与孔壁间岩粉，以提高固管质量。接着浆液从套管内压入，待套管与孔壁间流出浓稠浆液后，停止压浆，凝固24 h 后扫孔至原孔底以下0.5～1.0 m，进行耐压试验，耐压试验压力不低于4 MPa，持续时间不少于30 min。孔壁及钻孔周围不漏水、不渗水为试压合格，否则补浆。补浆采用单液水泥浆，浆液质量比1.5，不宜过于浓稠。凝固24 h 后，扫孔、试压。如此反复，直至试压合格。试压合格后，在孔口套管上安装好法兰盘。固管试压合格后用Φ94 mm 钻头钻进到设计孔深起钻，开始注浆加固作业。

3.4 注浆工艺

注浆工艺流程：检查泵及注浆管路的连接等情况→打开输出阀门→开始注浆→注浆→结束注浆→用清水清洗泵和注浆管路。

注浆前认真检查孔口管闸阀和球阀是否堵塞、完好，开关是否灵活，安装是否牢靠等，连接注浆三通泄压阀口要朝下，注浆孔孔口要安装高压耐震压力表。注浆地点要有专人观测孔口压力表读数变化，终压4 MPa。注浆过程中，出现跑浆、底鼓、注浆量特别大及其他情况时，要采取相应措施进行处理，如添加骨料或调整浆液比。注浆结束后，及时关闭孔口闸阀，然后用清水冲洗管路，最后通知注浆站停泵[9-10]。

4 治理效果验证

为进一步验证注浆加固的效果，对注浆前后的围岩情况进行比较，在工作面揭露陷落柱前40 m 范围内，大概发生煤壁片帮事故28 次，片帮范围大，深度深，绝大多数深度在0.7～1.3 m 之间，局部可达2 m。在片帮的同时，顶板漏顶也经常发生，局部工作面顶板出现破碎、矸石掉落的现象，顶板破碎范围0.6～0.9 m，极易造成支架被困住，无法移动，减缓工作面的推进速度。通过注浆治理之后，在过陷落柱期间，煤壁片帮次数和范围明显减小，共发生煤壁片帮12 次左右，且片帮深度减小至0.4 m 左右，降低了60%以上。煤壁的强度和完整性得到了改善，支承能力提高。工作面顶板仅有局部出现轻微冒顶的现象，同时由于煤体情况良好，工作面的推进速度也明显加快，通过陷落柱的时间提前了一个多月，保证了煤炭产量。

5 结论

1）针对8704 工作面陷落柱位置与结构情况，并依据注浆强化加固的作用机理，采用注浆的方式充填陷落柱。

2）在数值模拟之后，理论分析了注浆压力和水灰比对浆液扩散效果规律，并确定了具体参数，又根据现场实际设计了钻孔布置方式。

3）治理完成后，为了检验此次注浆加固的效果，决定与之前煤壁片帮、陷架次数进行比较。通过比较可以发现：煤体强度增大，整体性得到了改善，可以有效形成承载结构；在回采过程中工作面陷架、片帮数量和片帮深度显著降低，没有发生大的漏顶事故，有效提高了工作面的推进速度和安全性。