采動覆巖離層注漿控制地面降沉技術(shù)研究與應(yīng)用

陳守鈺

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

1 概 況

華陽集團(tuán)興裕煤業(yè)位于陽泉市平定縣冶西鎮(zhèn)蘇村一帶，行政區(qū)劃隸屬陽泉市平定縣冶西鎮(zhèn)管轄。興裕煤業(yè)15107 工作面走向長624 m，傾斜長185 m，煤層厚4.49～7.17 m，平均厚5.6 m，采煤工藝為傾斜長壁后退式低位放頂煤綜合機(jī)械化采煤法。煤層上覆二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，二疊系上統(tǒng)上石盒子組及第四系地層。其中第四系主要是黃土，上石盒子組為中、粗粒砂巖和砂質(zhì)泥巖和泥巖，下石盒子組為桃花泥巖和粉砂巖，山西組發(fā)育各種粒度的砂巖、泥質(zhì)巖和3 號煤層。在15107 工作面上覆地表有廠及村莊等建筑物，須設(shè)置專門的保護(hù)煤柱，嚴(yán)重影響15107 工作面的安全高效開采，壓覆大量資源難以回收，造成資源浪費。為解決這一問題，解放保護(hù)煤柱的煤炭資源，開展覆巖離層關(guān)鍵層注漿技術(shù)研究，對保護(hù)煤柱進(jìn)行充填開采。

2 采動覆巖離層區(qū)注漿技術(shù)原理

2.1 基于巖層移動與控制的關(guān)鍵層理論

關(guān)鍵層指采場上覆層包含多個巖層時，對巖體活動起到控制性的巖層，礦井回采作業(yè)頂板上部起控制作用的巖層為亞關(guān)鍵層，對該層以上至地表的巖層起控制作用的巖層為主關(guān)鍵層。依照實踐經(jīng)驗，采動覆巖離層多發(fā)生在各個關(guān)鍵層下方且離層最大發(fā)育高度止于主關(guān)鍵層下方。地面塌陷多隨回采進(jìn)度的推進(jìn)而擴(kuò)大，關(guān)鍵層下部離層空間增加，一旦亞關(guān)鍵層巖體穩(wěn)定性受損后，離層空間將由下而上進(jìn)行傳遞，直至主關(guān)鍵層穩(wěn)定性破壞，隨后整體離層空間擴(kuò)大化，傳遞至地面形成塌陷。

2.2 采動覆巖離層區(qū)注漿技術(shù)原理

回采工作面采動覆巖離層區(qū)注漿技術(shù)是通過對離層區(qū)進(jìn)行注漿，漿體脫水壓實后，對關(guān)鍵層提供一定的支撐力，人為干涉覆巖受力狀態(tài)，抑制地表沉陷的時間和過程，有效控制坍陷范圍。實際作業(yè)時，首先在地面布置適宜的注漿鉆孔，鉆孔深度至離層區(qū)域；然后通過注漿泵將漿液注入離層區(qū)域；漿液沉淀后變?yōu)閴簩嶓w，填充離層空間，形成“離層區(qū)充填體+隔離煤柱+關(guān)鍵層”的承載體，增強(qiáng)上覆層巖石的穩(wěn)定性，削弱破壞程度，如圖1所示。

圖1 離層注漿設(shè)計原理示意圖Fig.1 Design principle of separation grouting

3 離層注漿充填開采技術(shù)實施方案

3.1 上兩帶高度

據(jù)相鄰回風(fēng)井檢查孔資料，電法測出該地區(qū)大采高綜采面跨落帶高度范圍16～22 m，裂縫帶高59 m，裂采比為13.72。具體到興裕煤業(yè)15107 工作面，垮落帶高度為（2 ～3） M=（2 ～3） ×5.6=11.2 ～16.8 m，裂隙帶高度為kM=13.7×5.6=76.72 m（裂采比取13.7），則兩帶高度為87.92～93.52 m，以安全為導(dǎo)向，取最大值93.52 m。

3.2 隔離圍護(hù)帶高度

注漿作業(yè)過程中為避免離層區(qū)漿液和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)生貫通情況，須預(yù)留圍護(hù)帶，其厚度不小于5 倍煤層采高，即28 m（5×5.6 m=28 m）。因此，15107 工作面覆巖離層注漿層位應(yīng)在距煤層頂板93.52+28=121.52 m 以上。

3.3 注漿層位確定

由下往上確定煤層以上高度范圍內(nèi)符合互層條件的亞關(guān)鍵層，各巖層形成組合梁，由組合梁原理（巖層協(xié)調(diào)變形可知，當(dāng)?shù)趍+1 層為堅硬巖層，該層撓度低于下層巖層撓度，即第m+1 層以上巖層無需下部巖層承受其載荷，則必然有亞關(guān)鍵層之上的m 層巖層則由其承擔(dān)，判別式如下：

15107工作面煤層埋深大，有多層關(guān)鍵層，對離層注漿有利，詳見表1。

表1 關(guān)鍵層詳細(xì)信息一覽（破斷角按65°計算）Table 1 Detailed information list of key layers(breaking angle is calculated at 65°)

按式（1） 依次由下往上逐層計算，確定選擇亞關(guān)鍵層4。通過分析該礦1910 鉆孔成果及周邊鉆孔資料，注漿區(qū)域亞關(guān)鍵層4 埋深在333 m 左右，距煤層154 m 左右，平均厚度9.4 m，巖性為中粒砂巖，同時滿足隔離圍護(hù)帶高度要求，因此選擇此離層空間進(jìn)行注漿最為適宜。

4 注漿參數(shù)設(shè)計和流程

4.1 注漿孔部署方案

在注漿開始前，15107 工作面布置3 組注漿孔，一組斜孔兩組直孔，主副孔間距40 m。注1孔、注2 孔鉆孔孔底間距100 m，注2、注3 鉆孔孔底間距150 m，1 組注漿斜孔鉆探工作量合計986 m（493 m/孔），2 組注漿直孔鉆探工作量合計1 528 m（382 m/孔）。

4.2 注漿流程

（1） 人工將粉煤灰運輸至地表注漿站，存放在儲料倉，再經(jīng)輸送設(shè)備運送至制漿機(jī)進(jìn)行漿液制作，所得漿液經(jīng)過一系列的除砂工藝后進(jìn)行二次攪拌，攪拌后的漿液通過管道直接供給注漿泵使用，通過高壓注漿泵將二級攪拌后的漿體壓入輸漿管路，最后進(jìn)入注漿鉆孔。

（2） 為了控制上覆關(guān)鍵層的下沉，注漿壓力不能低于注漿充填層位上方的自然地壓，且不能高于充填層至回采工作面的巖層隔水壓力，以達(dá)到穩(wěn)定地表和井下防潰漿的目標(biāo)。注漿結(jié)束判斷指標(biāo)為注漿壓力、單孔注漿量同時滿足。根據(jù)測算，注漿壓力6 MPa，注漿1 h，每米吃漿量為83.52 ～255.79 m3，如注漿量超過正常吃漿量1.5 倍，即停止注漿，加強(qiáng)觀察，排除跑漿可能。

5 注漿充填效果

采用離層注漿技術(shù)后，15107 工作面可以安全對保護(hù)煤柱進(jìn)行開采，多回采了267 m。為驗證離層注漿的效果，保證開采安全，在開采過程中，對15107 工作面減沉區(qū)域地表變形情況進(jìn)行監(jiān)測，布設(shè)傾向觀測線1 條，設(shè)置觀測點23 個，編號首字母為Q，布設(shè)走向觀測線1 條，設(shè)置觀測點28 個，編號首字母為Z，測點間距為25 m。監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 15107 工作面采動后地表變形情況Table 2 Surface deformation after mining of No.15107 Face

表1 中最大沉降量434 mm 只有極個別點達(dá)到，大部分測點沉降量都比較小，且其他數(shù)據(jù)也比較小，滿足相關(guān)規(guī)范的要求，說明此次離層注漿技術(shù)應(yīng)用效果良好。

6 結(jié) 語

興裕煤業(yè)15107 工作面利用采動覆巖離層注漿技術(shù)成功回收保護(hù)煤柱，增加回采長度267 m，置換出該礦保護(hù)煤柱的煤炭資源量約47.5 萬t，價值約5.2 億元；采區(qū)回采率由75%提高到89%，有效延長了礦井服務(wù)年限，同時處理粉煤灰43 萬t，消耗礦井廢水30 萬t；資源稅費由8%減免為4%；科技項目加計扣除減免稅約500 萬元；塌陷治理費用減少約300 萬元等，項目經(jīng)濟(jì)效益累計5.47 億余元，同時優(yōu)化了礦井采掘銜接，增加了瓦斯抽采量，保障了礦井安全生產(chǎn)，實現(xiàn)了少丟煤、少搬遷和煤炭的綠色開采。