新元矿9104工作面过陷落柱注浆加固技术应用研究.pdf

1532019 年第 7 期 新元矿 9104 工作面 过陷落柱注浆加固技术应用研究 王明明 （山西新元煤炭有限责任公司，山西 晋中 030600） 摘 要 为了解决新元煤矿 9104 首采工作面受地质构造影响存在工作面底板涌水的问题，设计采用无线电波坑道透视仪 对回采工作面范围内的地质构造进行定位。在井下进行钻探确定陷落柱的发育情况，在相应位置对陷落柱进行超前注浆加 固，提高煤层陷落柱位置煤岩体的整体性，增强其隔水能力，有效地防止了底板突水的发生，取得了良好的治理效果。 关键词 陷落柱 地下水 坑道透视仪 探放水 注浆加固 中图分类号 TD745 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2019.07.058 Application of Grouting Reinforcement Technology for the 9104 Working Face Passing Through Collapse Column in Xinyuan Coal Mine Wang Ming-ming Shanxi Xinyuan Coal Co., Ltd., Shanxi Jinzhong 030600 Abstract Affected by geological structure, water inrush from floor in the 9104 first mining face of Xinyuan Coal Mine exists. In order to solve the problem, an underground radio-wave penetration instrument is designed to locate the geological structure in the mining face, the development of collapse column is determined by drilling in underground, and the collapse column is reinforced by advance grouting at given positions. In this case, the integrity of coal and rock mass is improved, and its water resistant is enhanced, which prevents water inrush from the floor effectively and obtain good results. Key words collapse column underground water underground electro magnetic wave perradiator water detection and water release grouting reinforcement 收稿日期 2018-12-01 作者简介 王明明（1986-），男，山西省介休市人，2012 年 6 月毕业于中国矿业大学地质工程专业，助理工程师，现为总工程 师办公室支护矿压组技术员。 煤矿地质与防治水 1 工程概况 山西新元煤炭有限责任公司所属 9104 综采工 作面地表位于韩庄村以北，清平镇以东，南燕竹以 南，冀家垴村西的黄土塬、黄土峁及沟谷地带。井 下北邻 9南回风大巷、9辅运大巷，东邻 9103 回 风巷，上部为 3煤 3204 综采工作面（已采完）、 3205综采工作面 （已采完） ， 其他方向均未布置巷道。 受区域构造影响，井田总体为一走向近 WE、 倾向 S 的单斜构造，在此基础上发育次一级的宽缓 褶曲构造，地层倾角较平缓，倾角 2～ 9。相 对全井田而言井田中部地层较陡，井田内褶曲、断 层以及陷落柱较发育，井田内褶曲属宽缓型褶曲， 断层较少，并且规模较小。经过上覆的 3煤层的开 采发现断层基本上不影响采区的划分及工作面的推 进，而陷落柱在采区内成群出现，在开采设计阶段 造成了一定程度的影响。3煤层开采过程中，陷落 柱导致煤岩体破碎严重，并且常有地下水导出，在 生产过程中必须密切关注陷落柱的威胁 [1]。9104 综 采工作面回风顺槽掘进过程中揭露一处陷落柱，陷 落柱区域内煤岩体破碎严重，并且巷道底板处有大 量的地下水涌入掘进工作面，经过长时间的抽排才 能进行正常的巷道掘进工作。现在 9104 工作面即 将进入回采阶段，需对工作面范围内的地质构造进 行探测及治理。 2 工作面内地质构造情况探测 （1）观测点与发射点工程布置 1542019 年第 7 期 此次对工作面内的地质构造进行探测，仪器选 用 WKT-E 型无线电波坑道透视仪。在 9104 工作 面的回风顺槽和运输顺槽内分别布置发射点、接收 点，具体的布设情况如图 1 所示。发射点间距为 50.0m，一个发射点对应 10 个接收点，接收点在另 一侧的巷道内，间距 10.0m。发射点发出电磁波在 不同的接收点进行接收，形成一个扇形区域，当发 现电磁波有异常时，可适当地增加接收点的个数， 一个个相互交叉的扇形区域最终完全覆盖整个工作 面区域。9014 综采工作面长度为 230m，推进长度 为 1330m，在两条巷道内一共布置 56 个发射点， 588 个接收点。 图 1 观测点与发射点工程布置图 （2）探测的结果分析 经过对探测信息的解释，得到的结果为工作 面存在揭露陷落柱 X2，预测陷落柱 X1、X3、X4。 其中，陷落柱 X2 长轴预计 127m 左右，不排除是 多个陷落柱叠加而成，周围可能存在承压水聚集区， 对回采有极大影响；预测陷落柱 X1 长轴预计 31m 左右，周围可能存在承压水聚集区，对回采有一定 影响；预测陷落柱 X3 长轴预计 49m 左右，周围可 能存在承压水聚集区，对回采有较大影响；预测陷 落柱 X4 长轴预计 121m 左右，不排除是多个陷落 柱叠加而成，陷落柱内松散的岩块裂隙内，很可能 汇集了大量的地下水，严重影响工作面的回采；预 测断层F1断距小于1/2煤厚， 周围瓦斯含量可能高， 对回采有一定影响；预测断层F2断距小于1/2煤厚， 局部断距可能接近1/2煤厚， 周围瓦斯含量可能高， 对回采有一定影响。由于断层规模较小，在回采阶 段不需要特殊处理。此外，工作面开采范围内还可 能存在其他小型构造，对回采影响不大。 （3）井下钻孔探放水 为了进一步确认距离工作面开切眼最近处 X2 陷落柱具体的发育情况及含水性，参考以上工作面 范围内陷落柱的无线电波坑道透的结果，在回风顺 槽内通过钻孔对 X2 陷落柱进行探放水。钻场设计 在距离切巷 40m 处，一共布置 4 组钻孔进行探测， 由于篇幅有限，列出第一组钻孔的详细参数如表 1 所示。每组为 5 个探测孔，钻孔长度均为 50m，倾 角及方位角的变化使其成扇形布置 [2]。 表 1 钻孔参数特征表 孔号孔 深 /m 俯 角 / （） 方位角 / （） 平 距 /m 垂 距 /m W15051349.84.4 W250183047.615.4 W350256045.321.3 W450457035.435.4 W550558528.640.9 经过 4 轮的探测，确认 X2 陷落柱长轴长度为 98m，短轴长度为 34m，倾斜向上的探测孔内涌水 量较少，向下的钻孔内涌水量较大。根据 9煤层顶 底板岩性，推测陷落柱内主要充水水源来自底板下 部的奥灰水。经过对新元矿 9104 工作面内地质构 造的探测，以及回风顺槽揭露的陷落柱处的地质状 况，推测工作面推进过程中，由于采动的影响，造 成煤层顶底板破坏深度较大。在陷落柱附近时，底 板的破坏可能与陷落柱破碎区域导通，形成较大的 导水裂隙，存在着涌水事故的风险，需要提前对陷 落柱区域的煤岩体进行注浆加固。 3 注浆加固技术工艺 （1）注浆材料 高水速凝材料 [3] 是一种在水灰比较高的情况下 快速凝固的特种水泥混合物。这类材料用水量较大， 但是比较节约材料，将其分为甲、乙两个部分，分 别加水搅拌形成浆液，并且不易凝固，但是甲乙混 合后会迅速凝固。考虑到这种特性选用双液注浆系 统注浆，使浆液在注浆位置进行混合，在围岩内迅 速凝结，固化围岩。考虑到浆液固结强度及材料消 耗等因素，选择注浆材料水灰比 1.51。由于陷落柱 周围的煤岩体破碎非常严重，裂隙发育较好，注浆 孔深度的提高及围岩裂隙发育较好，决定选用较小 的注浆压力，压力均为 4MPa 左右。 （2）注浆孔布置 根据探测的结果，由于陷落柱 X2 靠近回风顺 槽这一侧，并且影响范围较大，设计布置 6 个注浆 孔进行注浆加固。注浆孔的布置要使浆液更多、更 均匀地渗透到破碎围岩内，参考相似矿井工作面注 浆加固的钻孔布置方式，回风顺槽实体煤侧超前注 1552019 年第 7 期 浆时注浆孔的布置如图 2。注浆孔间排距为 3m，水 平方向钻进，钻孔深度 10m。 （a）注浆孔正视图 （b）剖面图 图 2 注浆孔布置示意图 （3）注浆量估算及注浆管设计 根据陷落柱附近煤岩体的裂隙发育情况以及浆 液柱形扩散理论对单孔注浆量进行估算 2 3.14QR Lnαβ （1） 式中 R浆液扩散半径，m； L注浆孔深度，m； n围岩裂隙率，根据轨道巷揭露的陷落柱位 置，围岩体破碎情况 n 值为 0.09； α围岩充填系数，根据实际情况取 0.6； β浆液消耗系数，1.11.2。 根据 9104 工作面的地质状况计算结果为 56.3m3。实际注浆过程中，基本上每个注浆孔的注 浆量都大于理论计算值，注浆管的形状是影响注浆 效果的一个极为关键的因素，根据陷落柱距离巷道 的位置，设计采用如图 3 所示的注浆管进行注浆。 图 3 注浆管结构示意图 （4）施工工艺 在回风顺槽煤壁侧对X2陷落柱进行注浆加固， 按照注浆孔的实际长度插入注浆管，从注浆孔底到 孔口一次进行高压封孔注浆。由于注浆管在煤体内 会影响回采工作面采煤机的破煤，因此单孔注浆完 毕后应将注浆管抽出进行封孔。 ① 打孔。按照设计的钻孔直径、长度等参数， 一次打设注浆钻孔全长。 ② 封孔。目前常采用的封孔工艺有水泥砂浆 封孔和自动封孔器封孔。由于封孔器对于注水钻孔 的成孔质量有很高的要求，如孔壁平滑、孔内没有 粉尘等，这导致封孔的质量严重受限，因此选择封 孔泵注水泥砂浆封孔。 ③ 注浆。各个注浆孔成孔后，逐个进行封孔。 预先进行上部一排的注浆，注浆时通过下部孔内的 涌水量来评估注浆的效果。当上部三个注浆孔注浆 完毕后，如果下部注浆孔已经没有水涌出，即暂停 注浆，根据工作面推进至陷落柱附近时的涌水情况 再决定第二轮注浆是否需要进行。 4 工作面涌水量观测 为了考察超前注浆对于陷落柱的底板水害的治 理效果，定期对回采过程中工作面内地下水的日涌 出量进行观测、统计，得到的数据整理得结果如图 4 所示。 由图可知， 随着工作面向陷落柱X2的推进， 工作面内底板的出水量逐渐增加。当工作面进入到 陷落柱区域内，涌水量维持在 42m3/h，在工作面正 常的排水能力范围内。即取得了较好的治理效果。 图 4 涌水量观测结果图 5 结论 （1）运用 WKT-E 型无线电波坑道透视仪及在 回风顺槽内对 X2 陷落柱的探放水，对 9104 回采工 作面区域内的地质构造的发育情况进行预测，确定 工作面 X2 的发育情况及含水性，为后期的生产设 计提供依据。 （2）由于陷落柱的影响，使煤层中产生大量 裂隙，煤岩体破碎严重，且工作面冒顶将会严重影 响工作面的正常生产。通过在回风顺槽内进行陷落 柱超前注浆加固，提高了煤岩体的弹性模量和整体 强度。在工作面推进至该区域时，将地下水的涌出 量控制在 42m3/h，消除了陷落柱内承压水对工作面 （下转第 165 页） 1652019 年第 7 期 导致径流区煤层气含量低，向斜轴部滞流区煤层气 含量高，且轴部地下水具承压性质，水动力弱，煤 层气受水压作用而吸附于煤层中，导致向斜轴部煤 中煤层气含量高并富集（图 1）。 图 1 6 号煤层煤层气含量分布图 5 对煤层气成藏的控制作用 井田构造形态为向斜构造贮水单元，含煤地层 在翼部出露地带接受大气降水补给形成地下水，并 由翼部向轴部径流，水力作用逐渐减弱，最终在向 斜核部形成地下水滞留区，地下水径流对煤层气逸 散产生水力封堵作用，向斜核部地区利于煤层气富 集成藏。 井田内煤层盖层为致密的粉砂质泥岩等碎屑 岩，孔隙及裂隙弱发育，对煤层气起到良好封、堵、 盖作用。且含煤地层中地下水受碎屑岩岩性及地层 倾角较小影响流动很局限并微弱，形成中弱径流 区，煤层气被水及盖层封堵，易形成承压水封堵煤 层气藏（图 2）。 图 2 矿区煤层气成藏模式示意图 6 结论 （1）井田内含水层为中二叠统茅口组、上二 叠统龙潭组及长兴组、下三叠统飞仙关组、永宁镇 组一段及第四系；隔水层为下三叠统飞仙关组一段、 上二叠统峨眉山玄武岩组。下伏中二叠统茅口组、 上覆下三叠统飞仙关组、永宁镇组一段含水层与含 煤地层间受隔水层阻隔而水力联系极弱。 （2）含煤地层地下水径流方向与煤层气运移 方向相反，对煤层气产生水力封堵作用，向斜核部 地区利于煤层气的成藏。 （3）向斜的翼部斜坡地带和核部为地下水中 弱径流区，煤层盖层为致密的粉砂质泥岩等碎屑岩， 孔隙及裂隙弱发育，对煤层气起到良好封、堵、盖 作用，易形成承压水封堵煤层气藏。 【参考书目】 ［1］ 洪愿进，唐长根 . 贵州省织金县文家坝一矿煤 层气资源及控气因素分析 [J]. 中国煤炭地质， 2015，27（06）22-25. ［2］ 唐长根 . 贵州省织金县文家坝一矿煤层气成藏特 征研究 [R]. 徐州中国矿业大学 .2015． ［3］ 唐长根，李峰，陆四海，等 . 贵州省织金县文家 坝一矿资源储量核实及勘探报告 [R]. 贵阳贵州 煤矿地质工程咨询与地质环境监测中心 .2012． ［4］ 叶建平，武强，王子和 . 水文地质条件对煤层气 赋存的控制作用 [J]. 煤炭学报，2001，26（05） 459-462． ［5］ 秦胜飞，宋岩，唐修义，等 . 水动力条件对煤层 气含量的影响煤层气滞流水控气论 [J]. 天然气 地球科学，2005，16（02）149-152． ［6］ 吴鲜，廖冲，叶玉娟，等 . 水文地质条件对煤层 气富集的影响 [J]. 重庆科技学院学报（自科学 版）,2011，13（05）78-81. ［7］ 傅雪海，秦勇，王文峰，等 . 沁水盆地中南部 水文地质控气特征 [J]. 中国煤田地质，2001，13 （01）31-34. （上接第 155 页） 底板造成的危害。在加固后的工作面回采过程中顶 底板围岩的完整性也得到了提高，整体来说取得了 很好的治理效果。 【参考文献】 ［1］ 王强 . 潞安矿区破碎煤岩体注浆加固技术研究及 工程应用 [D]. 煤炭科学研究总院，2018. ［2］ 张喜传，周玉军，张海波 . 基于新型注浆材料的 工作面过破碎断层措施 [J]. 煤矿安全，2018，49 （09）187-189193. ［3］ 买魁 . 无线电波坑透仪在晋华宫矿 8218 工作面的 实践应用 [J]. 山东煤炭科技，2018（05）123- 124127.