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新良友井田岩溶陷落柱特征及加固治理技术研究

2025-02-09 136 上传者：管理员

摘要：岩溶陷落柱作为一种隐伏构造对煤矿高效采掘和安全生产具有显著的负面影响。文章以霍西煤田新良友井田陷落柱为研究对象，查明了陷落柱的发育特征，并提出了注浆加固治理方案。研究结果表明，研究区陷落柱呈现弱胶结和破碎性特征，容易冒顶和诱发滞后导水。对掘进巷道的X11-19陷落柱采用注浆措施，使用水泥浆、双浆液和混合浆液的间接性注入方式，加固顶底板承压能力。注浆加固陷落柱提高了巷道过陷落柱的整体效率，获得了良好的试验效果。

关键词：
导水性
新良友井田
沉积环境
注浆加固
陷落柱
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受沉积环境和构造应力场作用,煤层中往往发育一些构造体,如断层､陷落柱､冲刷带､褶曲等,对煤炭正常稳定开采造成严重影响,引发冒顶片帮､煤与瓦斯突出､涌水突水等安全事故[1]｡由于地下水的不断溶蚀,造成石灰岩中溶洞逐渐扩大,加之在构造运动和上覆岩层重力长期作用下,有些溶洞发生坍塌,导致包括煤层在内的上部地层塌陷,引起煤层变形破坏,从而在煤层中形成岩溶陷落柱[2]｡其中,柱体内部由煤层顶板及上覆地层的垮落岩石组成,大小､形态､堆积方式､胶结程度差异性较大｡陷落柱发育的井田,常使煤层遭受不同程度的破坏,给机械化开采造成极大困难,严重的可使部分煤层失去开采价值｡尤其是在水文地质条件复杂的矿井中,陷落柱是矿井水的良好导通通道,给安全生产造成严重的潜在威胁｡利用物探手段例如电法[3]､绕射波[4]､地震波[5]和综合法[6]等能够对陷落柱进行有效识别和探测｡研究陷落柱的发育模式对于揭示陷落柱的成因及演化本质具有重要的科学价值,同时对陷落柱的防治[7-9]和煤炭安全高效开采具有指导意义｡

1、研究区概况

研究区新良友井田区内地层出露一般,地层由老至新依次出露有太原组､山西组､石盒子组､第四系地层｡区域内断裂构造走向以北东为主,倾向多为南东,绝大部分为高角度正断层[10]｡新良友井田主采煤层11号煤层位于太原组下段,煤层厚度1.31~3.45m,平均厚度2.92m,向南逐渐变薄,煤层埋深在100~400m.

矿井因历史采动原因未做地面三维地震勘探,仅依据上组煤3号煤层揭露推断了少部分陷落柱,但对整个井田空白区域陷落柱分布及数量探查不清,多呈隐伏构造存在｡由于陷落柱的存在,破坏了煤层及顶底板完整性和连续性,施工过程中极易产生冒顶､片帮,给采掘活动带来了极大的安全隐患,另一显著影响是减少了煤炭资源储量｡

2、陷落柱发育特征

11号煤层顶板为厚层的K2灰岩,较为稳定,局部地段由于裂隙发育,顶板呈破碎状｡钻孔抽水试验显示,井田单位涌水量0.01~0.38L/(s·m),含水层富水性不均,属富水性弱至中等裂隙含水层｡陷落柱与含水层的水力联系,既可成为矿井充水或发生突水的水源,也是地下水良好的导水通道｡而且,陷落柱的导水性并不是一成不变的,随着采空区塌落面积的不断扩大,围岩应力释放并重新分布及周期性演化,原来不导水的陷落柱在多次应力扰动下极有可能转变为导水构造｡陷落柱是从下至上发育,可连通含水层与煤层､上下含水层间甚至地表与各含水层间的天然导水通道｡进一步,陷落柱的存在会使煤层顶板导水裂隙带发育高度增加,大大增加其成为导水通道的概率[11]｡

新良友煤业矿井开采水平11号煤层已揭露陷的落柱总计30个,其中揭露时不导水的陷落柱有18个(表1)｡陷落柱剖面形态多为漏斗形,平面形态为不规则椭圆形｡对陷落柱发育规模而言,长轴小于20m的有10个,占33%,小于40m的总计27个,占90%,长轴在80~100m之间的仅有1个｡另外,陷落柱在煤层底板的面积超过1000m3有28个,占93%,面积最大的为2897m3.

井田内陷落柱最显著特征即柱体内部结构松软破碎､胶结强度极低,充填物多为块状的顶板砂岩､泥岩和颗粒感明显的胶结物｡造成这种现象的原因有三:首先,该井田煤层埋深浅,上覆地层压力和垂向应力较小,压实作用较弱,导致陷落柱在形成后虽柱体内部充填密实,但二次成岩条件较差;其次,霍西煤田经历了多期次的地质构造运动,井田内的构造多表现为褶皱,受到区域断裂构造的控制,在挤压､拉伸的地质演化过程中,陷落柱也极易变形,该井田陷落柱主要成团成簇分布,多位于褶皱核部及两翼部位;再次,陷落柱柱体外围普遍发育风氧化煤和破碎带,可推测煤层与地表的空气､水流等有一定的补给通道,进一步使陷落柱的机械和胶结强度减弱｡

表1新良友井田11号煤层揭露陷落柱特征

3、工程加固技术

本区陷落柱在揭露时绝大部分不导水,当裂隙水下渗导致陷落柱含水较高时,柱体内部经机械扰动遇水成泥状｡经过长期的跟踪调查,这种类型陷落的导水性与陷落柱揭露破坏时间长短密切相关｡在掘进或者回采期间,如果快速推过陷落柱,然后采取必要的支护手段,则对正常采煤工作影响较小;如果揭露陷落柱在数天内甚至更长时间内没有得到有效的支护或者加固处理,顶板裂隙水涌出量会逐渐增大｡

以陷落柱X11-19治理工程为例,该陷落柱位于11106回风巷右帮(图1),探测钻孔接近陷落柱边缘,孔内涌水时携带破碎的岩石碎块和颗粒渣石,涌水量逐步增大,最大时达到50m3/h,孔内渣石涌出量从3m3/h逐渐增大至20m3/h.为预防11106回风巷回采经过临近X11-19陷落柱时受回采扰动影响顶板发生突水或滞后突水事故,水流流入底板发生下沉现象,确保安全通过陷落柱,对该陷落柱顶底板进行注浆加固治理｡

陷落柱顶板控制段高度为50m,向底板控制段深度30m,段落阶梯性充填注浆加固,设计38个钻孔,总进尺2003m,钻孔扩孔进尺1018m,套管长度累计563m.钻孔部署见图1,钻孔具体参数见表2.

图1钻孔布置平面图

表2钻孔施工参数

1)钻孔结构｡钻孔结构示意图见图2.首先利用孔径Φ113mm钻头开孔钻至10.5~19.5m,下入Φ108mm一级套管至孔底壁后,灌入充填水泥和速凝剂材料,凝固后,扫孔至设计孔底,孔口安装测压系统(分水阀､压力表､四通､注水测压阀､孔口法兰盘等)｡孔口压力达到1~1.5MPa,稳压时间超过30min,试验周边无泄漏水,换径Φ85mm钻头继续钻进至终孔｡

图2注浆钻孔结构示意

2)套管埋固工艺｡套管端界面平整,接箍丝扣根部界面完整清洁､无伤痕｡一级套管壁后必须全段封注｡固管采用水灰比为0.5的水泥浆液,注浆时不断旋转套管,使套管外径与孔壁间隙浆液充填饱满密实,确保耐压效果｡孔口安装闸阀､多功能防喷设施预防突水,多功能防喷设施内径Φ74mm与控水阀门相匹配｡

3)注浆工艺｡泥浆泵､制浆搅拌一体机以及水泥和速凝剂等材料有序安置钻场帮侧｡在施工过程中,初步注浆终压为0.6~2.5MPa,在安全条件允许下适当调整注浆压力｡终孔进入陷落柱边缘内以充填置换模式注浆,由浅到深,采用间歇式或脉动式注浆,从而达到浆体传播远和多次叠加效应｡

在通道正常的情况下,遵循施工一孔注一孔､浆液先稀后稠再稀的注浆原则,浆液比重变化次序为1.1—1.2—1.3—1.4—1.3—1.2—1.1.特殊情况结合岩溶裂隙破碎压裂情况选择决定浆液细微的变化调整｡初步达到设计钻孔注浆压力后,进行补注浆施工｡补注间隔时间为30min､60min､120min,最终达到补满效果,必要时添加浆液膨胀剂｡

4)浆材配比｡注浆过程中出现破碎区漏浆和短距扩散注浆时,采用水泥-水玻璃双液浆,水泥浆和水玻璃体积比例为1∶0.8~1∶0.4.陷落柱破碎区空隙度过大需要及时封堵较大涌水通道时,配比高浓度浆液结合骨料混合并进行注浆｡加固封堵薄弱环节进行段落性或间歇性注浆时,在水泥浆液中添加配比5%的三乙醇胺和5%的工业盐,作为速凝早强剂,从而形成混合浆｡

5)终压浆液标准｡按照设计,最终泵量不超过30L/min,注入压力稳定,持续时间不低于30min,即注浆结束｡

6)加固效果｡注浆试验过程中钻孔周围未出现明显的煤层变形､底鼓､冒顶､偏帮等现象｡通过注浆形成交替加固置换充填空隙,改良了陷落柱顶底板破碎环境,使柱体与围岩融为一体,增强了层厚和抗阻能力,并形成区域性阻水帷幕｡通过注浆加固,后续巷道掘进速度大幅提升,缩短了过陷落柱时间,降低了成本,取得了良好的试验效果,目前该井田已大规模推广注浆加固技术治理陷落柱｡

4、结语

霍西煤田新良友井田陷落柱较为发育,由于煤层埋深浅､区域构造复杂以及与地表存在导水通道等因素,陷落柱柱体内部胶结性弱,呈松软破碎特征｡

以X11-19陷落柱为例,实施了陷落柱注浆加固顶底板的工程技术措施,采用水泥浆､双浆液和混合浆液等间歇性注入,利用充填置换法缩小柱体松散薄弱空间,促使浆液与破碎岩块紧密接触并强行密实胶结,强化陷落柱顶底板的机械强度,使柱体与顶底板形成综合联载体,进而提高顶底板的承载能力｡

参考文献:

[1]曾一凡,朱慧聪,武强,等.我国不同类别煤层顶板水害致灾机理与防控路径[J].煤炭学报,2024,49(3):1539-1555.

[2]尹尚先,连会青,刘德民,等.华北型煤田岩溶陷落柱研究70年:成因·机理·防治[J].煤炭科学技术,2019,47(11):1-29.

[3]彭洪涛.回采工作面隐伏陷落柱并行电法探查技术研究[J].煤,2023,32(8):1-3,24.

[4]刘建,沈鸿雁,席井昌,等.利用绕射波提高煤田陷落柱预测精度的方法[J].煤炭学报,2022,47(9):34423450.

[5]万照飞,郭增虎,王鹏,等.基于地震波形指示反演的陷落柱识别方法及应用[J].煤田地质与勘探,2020,48(4):212-218.

[6]王立.综合物探方法掘进面前方陷落柱探测中的应用[J].煤,2023,32(9):76-78.

[7]何峰,江泽标,林志斌.近陷落柱深埋巷道掘进突水灾变演化规律研究[J].矿业研究与开发,2023,43(12):94-102.

[8]刘伟韬,杜衍辉,庞立夫,等.不同级配陷落柱充填体力学特征实验研究[J].煤田地质与勘探,2023,51(2):220-228.