苗 鑫
(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 山西新村煤業(yè)有限公司,山西 長(zhǎng)治 046300)
常村煤礦是山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司下屬的一座現(xiàn)代化礦井,位于山西省長(zhǎng)治市屯留縣城東北10 km(直距)處的麟絳鎮(zhèn)東藕宋莊—上村鎮(zhèn)張家莊——漁澤鎮(zhèn)南漁澤—路村鄉(xiāng)姬村—襄垣縣候堡鎮(zhèn)段河一帶,行政區(qū)劃歸屯留縣、襄垣縣管轄。
常村煤礦2311工作面在23采區(qū)西部,底板標(biāo)高+431~515.7 m,地面標(biāo)高+949.4~953.8 m,上覆地表有余吾鐵路運(yùn)銷(xiāo)專(zhuān)線,如對(duì)鐵路留設(shè)保護(hù)煤柱,將損失煤炭資源148萬(wàn)t。
余吾鐵路運(yùn)銷(xiāo)專(zhuān)線為余吾煤礦煤炭鐵路運(yùn)輸專(zhuān)線,每天運(yùn)力約2萬(wàn)t,若因采煤引起地表沉降導(dǎo)致鐵路破壞,將直接影響余吾煤礦煤炭鐵路運(yùn)輸。
常村煤礦為節(jié)約煤炭資源、延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限,決定采用覆巖離層區(qū)注漿充填技術(shù)釋放上述壓覆的148萬(wàn)t煤炭資源,同時(shí)保護(hù)地表鐵路,實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采。
覆巖離層注漿減沉開(kāi)采技術(shù)是在對(duì)煤炭開(kāi)采形成的上覆巖層離層空間進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,將粉煤灰制成的漿液通過(guò)地表鉆孔注入地下離層空間,提前干預(yù)上覆巖層下沉,人為形成覆巖結(jié)構(gòu),進(jìn)而控制地表塌陷。注漿充填系統(tǒng)主要由地面制漿站、注漿站、輸漿系統(tǒng)、注漿鉆孔等組成。注漿方案主要由注漿工藝、注漿站建設(shè)、制漿系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、閉漿措施等組成,見(jiàn)圖1。
圖1 覆巖離層注漿技術(shù)原理示意
對(duì)常村礦2311工作面開(kāi)采時(shí),預(yù)測(cè)采用覆巖離層注漿充填技術(shù)與不采用覆巖離層注漿充填技術(shù)兩種方案時(shí)地表的變形情況。
1) 地表任意點(diǎn)A(x,y)的下沉值W(x,y)為:
Wcm=mqcosα
W(x,y)=WcmCxCy
式中:Wcm為充分采動(dòng)條件下地表最大下沉值;m為采出煤層厚度;q為地表下沉系數(shù);α為煤層傾角;Cx、Cy待求點(diǎn)在走向和傾向主斷面上投影處的下沉分布系數(shù);x、y為待求點(diǎn)坐標(biāo)[1]。
2) 地表任意點(diǎn)A(x,y)沿φ方向的傾斜變形值T(x,y)φ為:
T(x,y)φ=TxCycosφ+TyCxsinφ
T(x,y)φ-90= -TxCysinφ-TyCxcosφ
T(x,y)m=TxCycosφT+TyCxsinφT
式中:φT為最大傾斜值方向與OX軸的夾角(沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)),φT=arcot[TyCx/(TxCy)] ;T(x,y)m為待求點(diǎn)的最大傾斜值,mm/m;;Tx、Ty分別為待求點(diǎn)沿走向和傾向主斷面上投影點(diǎn)處迭加后的傾斜變形值,mm/m[2]。
3) 地表任意點(diǎn)A(x,y)沿φ方向的曲率變形K(x,y)φ為:
K(x,y)φ=KxCycos2φ+KyCxsin2φ+(TxTy/Wcm) ·sin2φ
K(x,y)φ-90=KxCysin2φ+KyCxcos2φ+(TxTy/Wcm)·sin2φ
K(x,y)max=KxCycos2φ+KyCxsin2φ+(TxTy/Wcm)·sin2φk
式中:K(x,y)max為待求點(diǎn)最大曲率變形值;Kx、Ky分別為待求點(diǎn)沿走向和傾向在主斷面上投影點(diǎn)處迭加后的曲率值[3]。
4) 地表任意點(diǎn)A(x,y)沿φ方向的水平變形值ε(x,y)φ為:
ε(x,y)φ=εxCycos2φ+εyCxsin2φ+[(UxTy+UyTx)/Wcm]·sinφcosφ
ε(x,y)φ+90=εxCysin2φ+εyCxcos2φ-[(UxTy+UyTx)/Wcm]·sinφcosφ
ε(x,y)max=εxCycos2φε+εyCxsin2φε+[(UxTy+UyTx)Wcm]·sinφεcosφε
綜合分析已有巖移監(jiān)測(cè)資料,并參考周邊相似地質(zhì)采礦條件的煤礦的地表變形資料,取合理的參數(shù)采用概率積分法,對(duì)2311工作面減沉區(qū)域的地表變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 常村礦2311工作面不采取注漿充填技術(shù)時(shí)地表變形預(yù)測(cè)值
分析2311工作面的注漿條件:地層軟硬互層結(jié)構(gòu);關(guān)鍵層為堅(jiān)硬且剛度大的巖層,層位居下;注漿孔的密度合理;回采速度均勻適度。在此條件下離層注漿減沉?xí)〉幂^好的效果。同時(shí),考慮粉煤灰充填體較好的壓縮特性,并參考國(guó)內(nèi)有關(guān)注漿減沉實(shí)例的減沉效果以及本區(qū)域的地質(zhì)條件和采礦條件,取減沉率為0.80進(jìn)行注漿減沉后地表的變形預(yù)測(cè)。采用概率積分法對(duì)注漿減沉后的地表變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 常村礦2311工作面減沉區(qū)域采取注漿時(shí)地表變形預(yù)測(cè)值
分析表1和表2的變形參數(shù)可知, 2311工作面采用覆巖離層漿充填技術(shù)后,地表變形量大幅下降,達(dá)到了地表減沉的目的。
1) 地表礦用鐵路變形分析。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù),運(yùn)用數(shù)值分析法,可計(jì)算出礦用鐵路在2311工作面開(kāi)采時(shí),采取覆巖離層注漿充填技術(shù)和不采取注覆巖離層漿充填技術(shù)的情況下,礦用鐵路地表的變形情況,見(jiàn)表3。
表3 在采取和不采取覆巖離層注漿充填技術(shù)情況下礦用鐵路地表的變形
2) 鐵路等級(jí)分類(lèi)及其允許變形范圍。依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》的規(guī)定可知,2311工作面上方礦用自備鐵路屬于Ⅲ級(jí)鐵路,Ⅲ級(jí)鐵路的最大允許變形量見(jiàn)表4。
對(duì)比表3和表4可知,采取覆巖離層漿充填技術(shù)后,鐵路的地表變形量非常小,可滿(mǎn)足《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》規(guī)定的要求。
表4 Ⅲ級(jí)鐵路地表最大允許變形
根據(jù)常村煤礦巖移規(guī)律,地表最大下沉速度可用以下公式計(jì)算:
式中:C為工作面推進(jìn)速度,m/d;Wmax為地表最大下沉值,mm;H0為平均開(kāi)采深度,m;K為下沉速度系數(shù),取4.13。
經(jīng)計(jì)算可知,注漿與非注漿條件下地表的最大下沉速度值見(jiàn)表5。
表5 注漿與非注漿條件下地表的最大下沉速度值
由上述預(yù)計(jì)結(jié)果可知,正常開(kāi)采時(shí)地表最大下沉速度大,達(dá)75.8 mm/d,而《鐵路工務(wù)規(guī)則》規(guī)定線路一次起道或撥道超過(guò)100 mm,就需要進(jìn)行線路封鎖施工,因此正常開(kāi)采方案難以實(shí)現(xiàn)維修期間的不間斷行車(chē)。另外,鐵路的移動(dòng)變形量大,易造成線路坡度、鋼軌水平、軌縫的顯著變化,使之達(dá)到或超過(guò)線路的允許變形值,而且鐵路沉陷變形的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程非常迅速,難以及時(shí)有效地進(jìn)行調(diào)整和維修,給線路正常行車(chē)造成隱患。
與正常開(kāi)采相比,采用覆巖離層注漿減沉技術(shù)后,地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形值明顯減小,加之本區(qū)域采深較大,地表移動(dòng)變形是大范圍、連續(xù)和漸變的,在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)線路可隨時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單維修,及時(shí)消除動(dòng)態(tài)變形影響,保證線路上的安全行車(chē)。
綜上所述,常村煤礦2311工作面不采取上覆巖層離層區(qū)注漿技術(shù),地表鐵路的變形量會(huì)非常大,且變形速度會(huì)非??臁2扇∩细矌r層離層區(qū)注漿技術(shù)后,地表鐵路的變形量符合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定,地表鐵路的變形速度小于《鐵路工務(wù)規(guī)則》的相關(guān)規(guī)定。因此,采用上覆巖層離層區(qū)注漿技術(shù)可保障地表鐵路線的正常安全運(yùn)營(yíng),并為常村煤礦解放煤炭資源148萬(wàn)t。