工作面过大面积陷落柱超前预注浆加固技术应用_郭强.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.017工作面过大面积陷落柱超前预注浆加固技术应用郭强(潞安化工集团寺家庄煤业有限责任公司，山西 晋中 045300)摘要 为解决工作面过大面积陷落柱时的片帮冒顶、进度低以及跳采资源浪费等问题，以寺家庄煤业有限责任公司 15302 工作面过大范围 NDX24 陷落柱为例，从设计原则与方法、钻孔布置相关技术参数等方面对陷落柱超前预注浆加固技术进行了分析。经工作面过陷落柱期间累积 80 d 的矿压监测及钻孔窥视分析，预注浆钻孔孔深 20108 m，注浆工作压力 515 MPa，单孔平均注浆量 2.272.45 t；工作面过陷落柱期间，工作面顶板完整性较好，未发生大面积片帮、冒顶、压架事故，推进度在 34 m/d。预注浆加固技术可超前工作面有效固结工作面内陷落柱破碎岩体，实现了工作面大面积陷落柱超前主动治理及安全高效回采。关键词 工作面；大面积陷落柱；预注浆；全覆盖中图分类号TD355文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0055-020引言陷落柱是煤炭开采时常见的地质构造。陷落柱的普遍存在严重影响了井巷工程以及煤炭开采工作1。通常情形下，矿井回采工作面过陷落柱引入的是跳采的方式，这种技术模式要进行重复性的掘进巷道，造成煤炭资源的极大浪费2。目前工作面过陷落柱理论研究及精准探测技术得到长足发展。张村等3对陷落柱周边应力变化及推采控制进行了研究并有效指导了工作面的安全高效生产。邢修举等4利用井下瞬变电磁法和探查钻孔等综合手段，实现了对超宽综采工作面隐伏陷落柱的形态精确探测。在实际工作中，从陷落柱以及采面开采的实际情形出发，引入科学的回采工作面过陷落柱技术，对于提高矿井煤炭开采质量具有积极的应用价值。在精确预知陷落柱形态的基础上，采取主动超前治理陷落柱的方法，较传统的跳采或陷落柱揭露后局部被动加固的方法显得更为积极有效。王波等5通过静动压相结合的预注浆技术对工作面内的断层异常带进行了超前治理，实现了由被动过断层到主动治理断层的思路转变，对于工作面陷落柱的加固治理提供了很好的借鉴。目前对工作面周边及面内小范围的陷落柱影响区的局部加固研究有较好的理论基础，但对工作面内大范围陷落柱的加固技术研究实践较少。在精确探测陷落柱产状的基础上，在工作面临近陷落柱之前开展对陷落柱及其影响区的预注浆加固，对于实现大面积陷落柱的主动治理及工作面安全高效回采具有重大意义。1工程概况15302 工作面位于寺家庄矿北一盘区，开采 15#煤层，厚度为 4.19.1 m，平均厚度为 5.89 m；煤层倾角在 120，平均倾角 6，赋存稳定。15#煤层结构复杂，以镜煤为主，其次为暗煤，含块状及粉状夹矸23 层。直接顶为均厚 1.49 m的砂质泥岩，老顶为均厚 9.88 m的砂质泥岩，直接底为均厚 7.70 m的砂质泥岩，老底为均厚 3.84 m的细砂岩。该工作面可采走向长度 1 529 m，倾斜长度 225 m；切巷、进、回风巷均沿 15#煤层顶板随层掘进。工作面平面布置如图 1 所示。巷道断面均为矩形，进风巷断面为5 400 mm4 300 mm，回风巷断面为 4 800 mm4 100 mm，均采用“锚杆+W 钢带+锚索+金属网”联合支护；工作面切巷断面为 10200mm4300mm，采用“锚杆+锚索+W钢带+金属网”联合支护方式。图 115302 工作面采掘工程平面布置工作面 15#煤层总体呈中部低、南北两头高的向斜形态，局部发育次一级的背、向斜构造。根据三维地震资料、巷道实际揭露情况、顺层钻孔探测资料、槽波探测、无线坑透等，工作面回采期间预计通过 1 条断层、4 个陷落柱、4 条挠曲、1 个异常区、1切巷15302 工作面回风巷15302 工作面进风巷NDX24设计停采线北能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1552023 年 2 月Feb.,2023郭强工作面过大面积陷落柱超前预注浆加固技术应用个夹矸增厚区、2 条向斜、1 条背斜。经全覆盖探测，工作面可进行回采；工作面推进到构造（陷落柱）区域时，顶板可能出现少量淋水现象，对回采有一定影响。距切眼 320465 m区域有已探明 145 m132 m的陷落柱（NDX24）。因陷落柱发育范围大，开采时对支架及溜槽坡度控制要求较高。工作面推至此处时对顶板安全管理影响大，易发生顶板掉落等事故，影响安全生产。因此，考虑超前工作面对陷落柱影响区域进行预注浆加固，确保工作面安全高效回采。2超前预注浆加固技术设计2.1预注浆设计原则与方法（1）注浆加固区：陷落柱测算范围与周边煤体结合处。（2）注浆孔开孔位置：为避开瓦斯钻孔，注浆钻孔开孔位置为顶板向下 2 m，钻孔间距 3 m，均布置在瓦斯孔中间位置。钻孔布置如图 2 所示。图 2工作面平巷钻孔布置（3）注浆钻孔终孔位置：经现场注浆测试，浆液扩散半径在 3 m左右，终孔位置应在煤层顶板以上13 m处。（4）注浆管安设：注浆孔安设 20 mm 钢管作为注浆套管，安装至孔底；孔口用水泥封堵，封孔长度控制在 2030 m，防止与抽放孔导通。2.2技术参数注浆材料采用超强矿用无机材料凯密安号。该材料具有无收缩、微膨胀、高流动性；水灰质量比为 0.281，7 d 抗压强度70 MPa。配备电动注浆泵 1 台和气动搅拌桶 2 台，注浆工作压力515 MPa。高强、高渗透性注浆材料匹配高压注浆设备，可满足远距离注浆要求。进（回）风巷（部分）注浆孔参数如表 1 所示。表 1进（回）风巷部分注浆孔参数根据预想剖面分析，结合陷落柱影响区钻孔全覆盖原则，预注浆钻孔平面布置如图 3 所示。图 3超前预注浆钻孔布置3注浆及安全效果分析（1）进、回风巷注浆孔合计 61 个，钻孔深度范围 20108 m；进风巷与进风巷总注浆量分别为83.13 t 和 61.28 t，合计注浆 144.41 t，单孔平均注浆量 2.272.45 t。（2）对陷落柱注浆加固区进行了多频次的岩石取样及钻孔窥视。从岩石取样及钻孔窥视情况可以看出，钻孔内浆体清晰可见，浆液很好地填充了陷落柱区域岩体裂隙，起到了胶结破碎煤岩体的作用。（3）自工作面距陷落柱 155 m时进行了 80 d 的矿压实时监测，注浆加固区工作面侧帮和及非工作面侧帮累计最大变形量维持在 300 mm 和 200 mm左右，如图 4 所示。过陷落柱期间，工作面顶板完整性较好，未发生大面积片帮、冒顶、压架事故，工作面推进度在 34 m/d。图 4陷落柱加固区巷道两帮测点位移量统计4结论（1）通过在工作面平巷布置预注浆钻孔，全面覆盖陷落柱影响区，超前工作面注射超强矿用无机材料，可实现对工作面陷落柱破碎岩体的预加固。（2）预注浆钻孔孔深 20108m，（下转第 133 页）工作面平巷顶板钻孔3 m2 m425 m位置 62 m见陷落柱413 m位置钻孔回风巷NDX24 陷落柱527 m位置 99 m见陷落柱预想剖面530520573 m位置钻孔进风巷477 m位置工作面侧非工作面侧-85-50-40-35-30-15-10-155-120工作面距测点位置/m位移量/mm0-50-100-150-200-250-300-350位置/m孔号深度/m角度/（）套管长度/m套管孔径/mm开孔位置距顶/m413180-480502416280-480502419422348080-3-38080505022562023 年 2 月Feb.,2023（上接第 56 页）注浆工作压力 515 MPa，单孔平均注浆量 2.272.45 t。浆液很好地填充了陷落柱区域岩体裂隙，起到了胶结破碎煤岩体的作用。工作面过陷落柱期间，工作面顶板完整性较好，未发生大面积片帮、冒顶、压架事故，工作面安全高效生产，推进度在 34 m/d。（3）所形成的工作面过陷落柱预注浆加固技术，解决了工作面过大范围陷落柱时片帮冒顶、进度低及跳采资源浪费问题。该技术拓展了陷落柱治理方法，为类似工程问题的解决提供了借鉴。参考文献1唐长路.回采工作面过陷落柱采煤方法研究 J.煤炭科技，2020，41（3）：78-79.2侯志辉.综采工作面绕陷落柱开采对接工艺优化 J.煤矿开采，2010（1）：40-41.3张村，屠世浩，白庆升，等.陷落柱周边应力变化及推采控制研究 J.中国矿业大学学报，2014，43（6）：974-980.4邢修举，蒋齐平.超宽综采工作面隐伏陷落柱探测技术研究 J.矿业安全与环保，2019，46（2）：66-69.5王波，张海峰，杨张杰，等.工作面断层带静动压分步耦合预注浆加固技术研究 J.煤炭科学技术，2022，50（6）：186-195.作者简介郭强（1991-），男，助理工程师，毕业于中国矿业大学采矿工程专业，主要从事煤炭开采技术管理工作。收稿日期：2022-08-23盐酸、10 mL 硫脲溶液。使用二乙基二硫代氨基甲酸银法测定时，测定方法上有以下变化：将校准曲线中的横坐标由砷含量（mg）调整为砷的质量（g）；测定时称取的固体试样质量由 3.3 g调整为 3 g。（8）铅含量测定方法。2014 标准中铅含量的测定方法较 2008 标准有以下变化：称取 10 g液体试样或 3.3 g 固体试样调整为称取约 5 g 液体或 1.5 g固体试样；加入 10 mL 硝酸溶液煮沸 1 min 冷却至室温后移入 1 000 mL容量瓶定容调整为加入 2 mL硝酸溶液煮沸 1 min 冷却至室温后加入 3 mL 柠檬酸铵溶液及 15 mL硫酸铵溶液，用氨水溶液或盐酸溶液调整 pH 值至 5.05.2（使用 pH 计），然后加入3 mL 二乙基二硫代胺基甲酸钠溶液并混合均匀，静置 3 min 后，移入分液漏斗中，依次加入 25.00 mL4-甲基-2 戊酮，混摇 2 min，再静置 10 min 后，弃去水层，将萃取液收集于干燥的容量瓶中；2022 标准在铅含量测定方法上有以下变化：称取约 5 g液体或1.5 g固体试样调整为约 3 g液体或 1 g固体试样。（9）汞含量测定方法。2022 标准中将原子荧光光谱法确定为仲裁法，并在测定方法上有以下变化：盐酸溶液浓度由 1+49（盐酸与水的体积比）调整为 1+19；硼氢化钾-氢氧化钠溶液的配制由 3.0 g氢氧化钠+0.5 g 硼氢化钾加水稀释至 1 000 mL 调整为 2.5 g 氢氧化钠+10.0 g 硼氢化钾加水稀释至1 000 mL。5结语对比 GB/T 22627 2008、2014、2022水处理剂聚氯化铝 3 个标准可以发现，即将实行的最新标准 GB/T 22627-2022 水处理剂 聚氯化铝 测定过程中的多种试剂用量及浓度减半或降低，使得废液量更少，更符合环保要求；同时增加了氨氮、密度的测定，检测指标更为全面，是污水处理厂药剂质量控制的有力保障。参考文献1国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局.城镇污水处理厂污染物排放标准：GB 18918-2002 S.北京：中国环境出版社，2002.2浙江省生态环境厅.城镇污水处理厂主要水污染物排放标准：DB33/2169-2018 S.杭州：浙江省人民政府，2018.3北京市环境保护局，北京市质量技术监督局.水污染物排放标准：DB11/307-2005 S.北京：北京市人民政府，2005.4崔晨，王伯铎，张秋菊，等.污水生物脱氮除磷新工艺的研究 J.地下水，2021，33（2）：59-62.5中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.水处理剂 聚氯化铝：GB/T 22627-2008 S.北京：中国标准出版社，2008.6中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.水处理剂 聚氯化铝：GB/T 22627-2014 S.北京：中国标准出版社，2014.7中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会