陽泉礦區鐵路隧道下覆巖隔離注漿充填開采實踐

李 濤

（陽泉煤業（集團）有限責任公司 地質測量部，山西 陽泉 045000）

建筑物、水體、鐵路下壓煤（“三下壓煤”）一直以來是制約煤礦資源開采的技術難題，為了解決“三下壓煤”問題，離層注漿開采作為控制地面沉降的減沉技術之一，在工程實踐中發揮了積極的作用，例如離層注漿的機理研究[1-5]、離層注漿開采地表下沉預計方法研究[6-7]、火成巖下注漿開采減災研究[8-10]、離層注漿的開采試驗[11-16]等方面。離層注漿開采具有不干擾井下的正常開采，并達到地表減沉的優點。將其用于鐵路隧道減沉控制具有軌道維護與調整空間有限、鐵路隧道凈空要求嚴格的2 個難點及特點。但由于目前各礦區地礦矛盾尖銳、搬遷費用高，無法實現遷村開采，目前主要采用留設煤柱方案對受開采影響的村莊進行保護，造成大量煤炭資源損失。研究針對坪上煤礦鐵路隧道壓煤及資源緊缺的矛盾，并考慮經濟效益，采用覆巖隔離注漿開采技術進行開采沉陷的地面減沉，形成覆巖隔離注漿的鐵路隧道采動變形控制一體化方法，保護鐵路隧道的正常運行及附屬村莊的安全。

1 工程概況

坪上公司15104 綜放工作面走向長1 060 m，但外段鐵路隧道及上莊村壓覆，若不采用地面減沉技術，工作面回采總長僅498 m，將丟棄壓煤70 余萬t，對資源匱乏的坪上公司造成極大的損失。由于工作面巷道主體已經形成，壓煤段的回采成本相對較低，預期經濟效益明顯。15104 工作面開采15#煤層，煤厚 6.0 m，傾角為 6.7°，埋深 287～292 m（平均約289 m），黃土層厚度0.8 m。地表地形主要為山體，在外段壓煤中心區地形相對平坦。工作面采寬里段201 m，外段219 m，采用綜合機械化放頂煤開采工藝。

工作面外段上方被運煤專線鐵路隧道所壓覆，15104 工作面離層注漿孔分布與鐵路隧道關系如圖1，運煤專線鐵路受影響區域內存在鐵路隧道1 個（北嶺山隧道），洞口與15104 工作面機巷的最小間距為69 m，向收作線方向隧道與機巷間距逐漸減小。根據設計，運煤專線由北往南的設計為上坡（坡度3.2‰），按照設計要求，重車最大上坡為6‰。若15104 工作面（考慮15101 工作面已采時累計采寬374 m）采用傳統的綜放開采方法，預計地表累計最大下沉達6.0 m，將對鐵路隧道產生嚴重影響。

圖1 15104 工作面離層注漿孔分布與鐵路隧道關系Fig.1 Relation between grouting hole distribution and railway tunnel in 15104 working face

2 綜放工作面覆巖隔離注漿充填方案

2.1 技術適用性分析與評價

從地質開采因素方面對15104 工作面覆巖隔離注漿充填技術適用性進行評價，15104 工作面技術適用性評價見表1。

表1 15104 工作面技術適用性評價Table 1 Technical applicability evaluation of 15104 working face

在地質開采因素方面，其有利條件包括：①基巖厚度充足（289 m）、具備典型關鍵層，適宜于選擇注漿充填層位；②地表地形相對平坦，鉆孔施工與注漿充填站建設的難度相對于山地有所減小；③壓煤建（構）筑物均不位于工作面正上方，為目標保護提供了有利條件。

但是，從采寬與采深的比值（0.70～0.76）來看，工作面采寬偏大；同時，工作面采厚達6.0 m，與前期試驗工作面采厚（最大5.0 m）相比偏大。

2.2 技術難點

1）相鄰采空區條件下注漿充填。相鄰15101 工作面已經回采，且兩工作面之間無隔離煤柱，在15104 開采期間存在疊加開采影響、下沉速率快，沉陷控制的難度本身就很大，注漿充填控制難度更大。

2）一側充分采動條件下注漿充填。由于15104工作面注漿充填區域為工作面外段437 m，非注漿充填區域采用垮落式開采將導致巖層破斷、下沉，并超前發育，會對注漿鉆孔孔壁穩定性保護帶來極大技術困難，有可能導致鉆孔塌孔、注漿充填量小。

3）工作面采高大。由于工作面采用綜放開采工藝，累計采厚將達6 m，且一次采出空間體積大，將導致地表沉陷量大、巖層破斷充分，影響鉆孔穩定性與注漿充填控制關鍵層穩定性的難度。

2.3 注漿充填鉆孔

充分考慮到工作面覆巖條件、一側垮落式充分采動、工作面日產高等地質開采因素，結合地面地形并經現場勘查，確定了工作面鉆孔布置方案，如圖1。

關鍵層在采動覆巖中的作用，上可影響至地表，下可影響至采場和支架，內部影響到采動裂隙的分布和流體的運移，因而它一定程度上可作為采場礦壓、巖層移動及地表沉陷、采動巖體內的流體運移研究統一的基礎。采場覆巖一般力學模型如圖2。

判別某一巖層是否為關鍵層，必須同時滿足剛度（變形）判別條件（式1）和強度判別條件（式2）：

圖2 采場覆巖一般力學模型Fig.2 General mechanical model of stope overburden

式中：n＜s；hi為第 i 巖層厚度；ρi為第 i 巖層平均密度；Ei為第 i 巖層彈性模量；l1、ln+1為第 1、第 n+1 層的破斷距離。

采用中國礦業大學編制的關鍵層判別軟件。輸入巖層厚度，密度，抗拉強度，彈性模量，巖性，巖層破斷角，松散層載荷傳遞系數。根據關鍵層判別結果，確定終孔注漿層位位于第三亞關鍵層下方。第一亞關鍵層深度284.4 m（距離煤層9.3 m），為8.9 m 厚的細砂巖；第二亞關鍵層深度206 m（距離煤層87.7 m），為8.6 m 厚的細砂巖；第三亞關鍵層深度138.8 m（距離煤層154.9 m），為3.1 m 厚的中砂巖。

各注漿鉆孔采用3 開成孔：第1、第2 開均下入石油套管，第3 開為裸孔至終孔。各鉆孔深度平均160 m。在現場地面標高變化、揭露巖層厚度發生變化、鉆孔位置處煤層埋深變化或遇到斷層等構造時，根據具體情況對孔深作出適當調整。

3 注漿充填監控及實施效果

3.1 注漿充填開采情況

自2016 年8 月17 日回采至原定停采線開始，截至2017 年9 月，工作面已終采，共采過原定停采線367.3 m，采出煤量73.63 萬t。采面過隧道洞口95.8 m，與鐵路平距52.8 m。在注漿充填開采期間，工作面日平均推進速度為1.3 m/d，月平均推進速度為40 m。

注漿充填自2016 年8 月25 日開始，截至2017月9 月，各個鉆孔均已實施了注漿充填，累計充填注粉煤灰 18.42 萬 t。

3.2 沉陷控制效果

從工程實施實踐來看，可注性及沉陷控制效果要比預期要好。對隧道內布置26 個測點約230 m。累計進行了52 次地表沉陷觀測，對歷次觀測數據進行了及時分析，并同步調整了注漿充填參數，保證了地表沉陷控制效果。隧道沉降監測曲線如圖3。

圖3 隧道沉降監測曲線Fig.3 Tunnel settlement monitoring curve

根據觀測結果，隧道最大下沉81 mm，最大水平移動55 mm。隧道限界仍然滿足要求，列車正常通行，達到了保護隧道的目的。

3.3 經濟效益分析

通過實施注漿充填，工作面共采出鐵路隧道壓煤 73.63 萬 t。2016 年 8 月至 2017 年 9 月，工作面采出煤炭平均售價 400 元/t，銷售收入總計29 452 萬元。工作面注漿充填總費用合計2 403.23 萬元，折合噸煤32.6 元。扣除注漿充填成本后，新增收入為27 048.77 萬元。

由于采用了充填開采，符合國家財稅［2014］72號文中的“對充填開采置換出來的煤炭，資源稅減征50%”規定。經坪上公司申請、山西省煤炭廳、稅務部門認定，共計減免資源稅 600 萬元。根據上述計算，鐵路隧道下綜放面覆巖隔離注漿充填開采試驗研究項目，增收節支總額為 27 648.77 萬元，經濟效益顯著。

4 結 論

1）首次將覆巖離層注漿開采技術應用于鐵路隧道下采煤，并獲得了成功。采出煤量70 余萬t，延長開采時間近1 年，有利于礦井接替，同時將為坪上公司乃至陽煤集團“三下”壓煤開采提供新的思路與方法。

2）評估了15104 工作面實施覆巖隔離注漿充填開采的適用性。在地質開采因素方面，該區域實施注漿充填的有利地質條件是：①基巖厚度充足（289 m）、具有關鍵層，能夠選擇出合適注漿充填層位；②壓煤區地表地形相對平坦，鉆孔施工與注漿充填站建設的難度較之山區相對偏小；③鐵路與村莊不在工作面正上方，為其保護提供了有利條件。

3）本項目的重點正是集中于北嶺山隧道采動損害防護，保證隧道限界滿足通行要求，隧道襯砌不出現影響行車的破壞或塌落。確定了隧道原始限界及其富裕量。