高河能源W4301 工作面切眼Xw15 陷落柱注浆堵水加固技术

时间：2024-07-28

吴慧科

(山西潞安矿业（集团）高河能源有限公司，山西长治 047100）

地质构造[1-2]是影响我国煤矿安全开采的重要因素，陷落柱由于其内部岩石往往较为破碎且胶结性差，极易导通底板含水层，且会造成工作面冒顶问题。因此，陷落柱的治理[3-5]是广大煤炭技术人员广泛研究的课题。

1 工程概况

高河矿主采3 号煤层，煤层平均厚6.71m，煤层底板标高+350～ +570m，中奥陶统奥灰水位标高约为+660m，承受的奥灰水压介于0.9～3.1MPa 之间，全井田带压开采。目前，矿井准备回采W4301 工作面。根据三维地震勘探和在W4301 切眼巷钻探情况，查明Xw15 陷落柱位于W4301 工作面内的西南角，距离W4301 切眼巷7m 左右，距离W4301 进风巷70m 左右，椭圆状，长轴为东西方向，长度75m，短轴为近南北方向，长度为53m。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。但由于陷落柱内部岩石胶结性较差，岩石较为破碎，回采时容易发生顶板冒落和底板陷落事故，加之全矿井带压开采，防止采动裂隙与奥灰水导通，降低奥灰水对工作面开采的危险，决定对该陷落柱进行注浆加固。

2 注浆堵水加固方案

2.1 加固范围及钻场布置

依据前期探查查出的Xw15 陷落柱的范围，水平方向钻孔控制到Xw15 陷落柱轮廓外20m，垂直方向钻孔控制到煤层层位顶板以上10m、煤层层位底板以下25m。结合陷落柱位置，本次注浆堵水加固施工在W4301 切眼施工，切眼高3.8m，巷宽7m，钻场长度从进风顺槽口向北64m 至144m 处，共80m 范围。

2.2 钻孔布置参数

注浆钻孔位于W4301 切眼回采侧煤壁，分为顶板钻孔和底板钻孔。

（1）底板钻孔

根据高河矿地质情况，以及以往注浆堵水工程实践，设计5 排38 个钻孔。钻孔均垂直回采侧煤帮，方位角为90°。具体为：① 第一排8 个钻孔，开孔编号Ad（1-8），终孔编号（1-8）d，倾角-29°，钻孔长度65m；② 第二排8 个钻孔，开孔编号Ae（1-8），终孔编号（1-8）e，倾角-16°，钻孔长度94m；③ 第三排8 个钻孔，开孔编号Bf（1-8），终孔编号（1-8）e，倾角-66°，钻孔长度90m；④ 第四排7 个钻孔，开孔编号Be（①-⑦），终孔编号（①-⑦）a，倾角-7°，钻孔长度91m；⑤ 第五排7 个钻孔，开孔编号Ag（1-7）），终孔编号（1-7）g，倾角-51°，钻孔长度32m。钻孔布置如图1 所示，钻孔参数如表1 所示。

图1 底板注浆钻孔布置平面图

表1 底板钻孔参数表

（2）顶板钻孔

顶板钻孔同样按照5 排设计，共32 个注浆钻孔。钻孔均垂直回采侧煤帮，方位角90°。具体为：① 第一排8 个钻孔，编号Ca（1-8），倾角26°，钻孔长度22m；② 第二排8 个钻孔，编号Cb（1-8），倾角11°，钻孔长度51m；③ 第三排8 个钻孔，开孔编号Cc（1-8），倾角6°，钻孔长度91m；④ 第四排7 个钻孔，开孔编号Cc（①-⑦），倾角6°，钻孔长度91m；⑤ 第五排1 个钻孔，开孔编号Cf，倾角27°，钻孔长度89m。钻孔布置如图2所示，钻孔参数如表2 所示。

图2 顶板注浆钻孔布置平面图

表2 顶板钻孔参数表

2.3 钻孔施工

在钻孔施工过程中，出现水文地质等异常情况，应及时汇报并调整钻孔角度、方位、深度、数量。钻孔施工自进风顺槽侧开始，排与排之间、每排孔与孔之间采用间隔施工。

2.4 钻孔结构及施工工艺

注浆钻孔采用两级孔径，开孔孔径Φ113mm，施工到10m 停止，下入Φ108mm 套管（长10m），并安装孔口安全装置。孔口管壁后注入42.5R 普通硅酸盐早强水泥，凝固时间8～12h 达到强度、封闭效果要求后，用Φ75mm 钻头透孔至孔底再钻进0.5～1m起出钻具，然后孔口安装测压系统，孔口压力达到4MPa，并持续稳压30min，试验钻孔周边无渗漏水、套管无位移、帮底无鼓起、顶无冒落现象。测试合格后，更换Φ75mm 钻头，继续钻进至终孔层位。

3 注浆堵水施工工艺

3.1 注浆材料及浆液

本次注浆采用42.5R 普通硅酸盐早强水泥。每个钻孔在注浆前均需进行压水试验，冲孔并疏通孔内岩石裂隙，并由此决定浆液浓度，原则上浆液先稀后稠，出现跑浆和串孔时提高浆液浓度。

3.2 注浆方式及压力

采用终孔一次性连续注浆。根据该处底板承受的奥灰水压为1.67MPa，初步确定Xw15 陷落柱注浆加固终压为4MPa。施工过程中根据实际情况可适当调整注浆压力。

3.3 注浆顺序

原则上施工一孔注一孔，如经初步探查孔做压水、压浆联通试验相互无影响，可以边打孔边注浆或同时实施两个及多个注浆孔同步注浆。每个钻孔施工中出现5m3/h 水量以上的，起出钻具随时注浆，自始至终反复透孔，直至达到注浆结束标准。

3.4 注浆结束标准

注浆过程中在注浆压力达到4MPa 时，认为该孔达到压力结束标准。达到压力标准后应逐次降低泵量至50L/min，并维持30min。

4 现场施工效果分析

4.1 施工情况

本次注浆施工共计37d，完成70 个钻孔的注浆施工，共计进尺4969m；累计使用水泥83t，单孔最大注浆量为12t，最小为0.25t，平均1.17t；注浆压力均超过4MPa，最高达11MPa。钻孔施工过程中对各钻孔的施工情况及出水量进行统计，单孔出水量最大为0.3m3/h，最小出水量为0.08m3/h，说明回采过陷落柱时底板不会发生大的突水事故。

4.2 经济效益

本次注浆堵水施工实际发生工程费用175 万元。根据Xw15 陷落柱的实际探测情况，采用注浆堵水加固后工作面推进长度可增加约100m，可多回收煤炭资源约23.3 万t。按照每吨煤100 元利润计算，再扣除注浆加固施工工程费用后，可实际增加利润约2155 万元，

4.3 效果分析

由于Xw15 陷落柱距W4301 工作面切眼较近，工作面初采期间就会揭露陷落柱，且老顶初次来压强度较大，因此，在工作面回采过陷落柱期间，需加强对工作面顶板的管理。队组拉架工严格按照作业规程要求，保证工作面液压支架的初撑力，并及时打开护帮板护帮，且在顶板破碎时采取跟机带压拉架和提前带压拉架的方法，保证工作面顶板安全。回采工作面在过陷落柱期间没有出现大范围的片帮冒顶现象，并且陷落柱未与底板奥灰含水层导通，没有出现工作面顶板淋水和涌水现象，保证了回采工作面安全高效生产。