采動覆巖離層區(qū)注漿控制地面沉陷技術研究及應用

呂 毅

(潞安集團慈林山煤業(yè)公司 夏店煤礦，山西 長治 046200)

煤炭開采所造成地表沉陷對人類的生存環(huán)境產(chǎn)生一系列的消極影響。沉陷區(qū)的生態(tài)恢復直接關系到礦區(qū)經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，是我國礦區(qū)所面臨的一個亟待解決的難題。我國生產(chǎn)礦井“三下”壓煤約140億t，“三下”壓煤開采問題一直是困擾我國煤礦的重大技術難題。山西屬于煤炭大省，但由于開采時間較長，大量煤礦逐漸進入資源枯竭期，與此同時，村莊、建(構(gòu))筑物、鐵路下壓覆了大量煤炭資源，礦區(qū)遷村、搬遷難度大，費用高，地礦關系復雜，且傳統(tǒng)的“三下”開采技術存在初期投資大、充填成本高、采充作業(yè)相互干擾、工效低等問題。如何合理解決“三下”壓煤開采問題一直是困擾煤礦企業(yè)的重要課題之一，研究建(構(gòu))筑物下低成本、高效能、可持續(xù)的新型采煤技術必要而緊迫。

夏店煤礦位于山西省襄垣縣境內(nèi)，隸屬于潞安集團慈林山煤業(yè)有限公司，井田內(nèi)村莊及建筑物壓煤較多，為解放“三下”壓煤，消除開采對村莊、建筑物的影響，經(jīng)過大量“三下”開采調(diào)研，夏店煤礦與中國礦業(yè)大學、中國煤炭地質(zhì)總局合作，提出新型采動覆巖離層區(qū)注漿充填技術，并在3117綜放工作面進行了工程實踐，解決了夏店煤礦村莊及建筑物下壓煤的開采問題。

1 采動覆巖離層區(qū)注漿技術原理

1.1 基于巖層移動與控制的關鍵層理論

關鍵層理論認為，對其上部巖層起控制作用的巖層稱為亞關鍵層，對其上直至地表全部巖層起控制作用的巖層稱為主關鍵層，采動覆巖離層主要出現(xiàn)在各關鍵層下面，且離層的最大發(fā)育高度止于主關鍵層下方。地表塌陷是因為隨著工作面推進，關鍵層下方的離層量不斷增大，當亞關鍵層發(fā)生初次破斷后，離層空間將會向上傳遞至上一層亞關鍵層下方，直至主關鍵層發(fā)生破斷，離層空間將傳遞到地表形成地表塌陷[1]，見圖1。

1.2 采動覆巖離層區(qū)注漿技術原理

采動覆巖離層區(qū)注漿充填技術是依據(jù)關鍵層理論，通過覆巖離層區(qū)注漿，提前干預覆巖的活動狀態(tài)，人為形成覆巖結(jié)構(gòu)與充填壓實承載區(qū)，進而控制地面沉陷過程，實現(xiàn)采空塌陷的有效控制。具體為在地面施工鉆孔至目標層位，使用壓力泵將粉煤灰漿液通過注漿管注入覆巖離層區(qū)域，漿液沉淀后形成飽和壓實體，從而對上部關鍵層起到支撐作用，形成“離層區(qū)充填體+煤柱+關鍵層”的承載體，保證上覆巖層及地面不發(fā)生破壞與變形[1-2]，見圖2。

1.3 技術創(chuàng)新點

1) 依據(jù)關鍵層理論，在關鍵層下部離層空間內(nèi)注入高壓充填漿體，漿體經(jīng)脫水壓實后的充填體對上覆巖層起到支撐作用，從而減緩或消除巖層移動向地表的傳播，為“三下”壓煤開采提供了一條新的技術途徑。

2) 系統(tǒng)簡單獨立，通過在地面打鉆進行注漿，避免了井下傳統(tǒng)充填和工作面回采相互交叉作業(yè)所帶來的不安全因素。

3) 采用定向鉆井技術，準確找到地下注漿層位靶域，實現(xiàn)遠距離定向注漿，解決了因地表條件限制無法垂直鉆進的問題。

4) 實現(xiàn)了連續(xù)開采，解決了傳統(tǒng)注漿充填工作面回采時需等待注漿料初凝的難題。

5) 首次提出了在原有注漿孔上部層位選擇關鍵層，實施單孔多級注漿，增強注漿效果的方法(二次補強)。

6) 注漿漿體采用粉煤灰與水的混合物，注漿材料成本低，同時做到了廢物利用，為實現(xiàn)綠色開采提供了新的思路。

2 現(xiàn)場應用

3117綜放工作面為新型采動覆巖離層區(qū)注漿技術試驗工作面，工作面采用走向長壁后退式低位放頂煤、全部垮落法的綜合機械化采煤方法，采寬187 m，工作面正上方地面瓦斯泵站壓煤約234 m，現(xiàn)對3117工作面進行覆巖離層區(qū)注漿充填設計。

2.1 關鍵層的判斷及破斷距

從技術原理可知，該技術的第一步應進行關鍵層的判斷和選取，參照3117工作面附近JJ-1鉆孔柱狀圖，根據(jù)地層巖性、厚度、 巖石力學參數(shù)，依據(jù)關鍵層判別方法判斷關鍵層的層位，同時采用固支梁、板理論，計算了關鍵層破斷距[2]，見表1。

表1 關鍵層詳細信息及破斷距

2.2 注漿層位的選擇

采動覆巖離層區(qū)注漿的層位應在關鍵層以下的離層區(qū)內(nèi)，在導水裂隙帶之上，因此需先確定采空區(qū)上覆巖層兩帶范圍，根據(jù)實測法計算垮落帶與裂隙帶高度。

采空區(qū)垮落帶高度：H垮=(2～3)M=(2～3)×6.2=12.4～18.6 m(M為煤層采高，取6.2 m)。

采空區(qū)導水裂隙帶高度：H裂=kM=22×6.2=136.4 m(k為裂采比，根據(jù)實測結(jié)果取22)。

根據(jù)計算，取導水裂隙帶高度136.4 m。注漿時為了防止離層區(qū)與導水裂隙帶之間貫通，需要留設5倍煤層采高左右的圍護帶厚度(5×6.2=31 m)，則離層注漿的層位應在距煤層167.4 m以上。

根據(jù)上述分析注漿層位應在主關鍵層下方離層區(qū)內(nèi)，即距煤層距離為182.65 m。

2.3 注漿工作面參數(shù)選擇

1) 根據(jù)關鍵層破斷距與覆巖破斷角確定關鍵層極限跨距時對應的注漿充填工作面采寬，其對應采寬見表2。

表2 關鍵層極限跨距對應工作面采寬(按梁計算)

根據(jù)表2中主關鍵層極限垮距對應的工作面采寬，可知注漿工作面采寬應小于191.3 m。 3117工作面原始采寬為187 m，滿足要求。

2) 隔離煤柱不僅能支撐煤柱上覆巖層重量及兩側(cè)采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量，還可防止煤柱上方關鍵層上下區(qū)段離層區(qū)貫通。按極限強度理論與巖層移動理論計算后，取二者中較大值。

按極限強度理論計算： 隔離煤柱寬度b≥51.1 m。

按巖層移動計算： 隔離煤柱寬度b≥59.35 m。

取兩者大值，確定注漿充填試驗區(qū)隔離煤柱59.4 m。3117工作面兩側(cè)為實煤體，滿足要求。

2.4 注漿鉆孔布置

注漿鉆孔的布置是根據(jù)關鍵層極限跨距和漿液擴散半徑，并結(jié)合工作面采寬、現(xiàn)場條件等因素來確定的，3117工作面共設計鉆孔7個，其中定向鉆孔5個，直孔兩個，鉆孔均需按要求打鉆至主關鍵層下方位置，鉆孔布置見圖3，各鉆孔參數(shù)見表3。

圖3 3117工作面注漿鉆孔布置

表3 鉆孔參數(shù)

2.5 鉆孔注漿

地面注漿站于2018年8月25日完成土建及安裝調(diào)試工作，具備注漿條件，2018年10月15日開始正式注漿。截至2019年12月30日，所有鉆孔均已完成注漿任務，累計注漿量35.6萬m3，注灰量26.1萬t，各鉆孔注漿效果示意見圖4。

圖4 3117工作面各鉆孔注漿效果示意

3 地表沉降觀測

3117工作面于2018年11月18日進入充填開采區(qū)域，2019年6月28日收尾結(jié)束，共推進234 m，釋放壓煤37.5萬t，地面注漿工程于2019年12月30日結(jié)束。

注漿減沉區(qū)域從2018年9月12日首期監(jiān)測至2020年2月29日，共進行125次監(jiān)測，井下回采工作面已結(jié)采8個月，最大累積沉降量為76.08 mm，其中關鍵區(qū)域內(nèi)變電室區(qū)域最大沉降量為36.47 mm，瓦斯泵站房角最大沉降量為10.88 mm，沉降速率穩(wěn)定在0.002 mm/d以內(nèi)，地表及瓦斯泵房內(nèi)設備基礎沒有發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，對應的水平變形、傾斜及曲率等變形指標均滿足國家關于建筑物一級保護等級規(guī)定中的要求,見表4。

表4 注漿減沉區(qū)域觀測結(jié)果

4 結(jié) 語

夏店煤礦采動覆巖離層區(qū)注漿項目成功釋放壓煤37.5萬t，實現(xiàn)利潤3 950萬元，且符合充填開采煤礦稅收優(yōu)惠政策，已完成退稅810萬元，隨著該技術的進一步應用，地面注漿站等初期投入將持續(xù)發(fā)揮作用，企業(yè)利潤空間將進一步擴大。該項目的成功應用將為潞安集團及其他煤礦企業(yè)類似煤層條件下開采及采空塌陷防治提供示范，帶來可觀的經(jīng)濟效益。

本次注漿消耗了電廠粉煤灰26.1萬t。當前固廢處理，特別是無害化綠色處理是企業(yè)面臨的一大難題，固廢處理存在難度大、費用高的情況，該技術的應用，有效解決了固廢(粉煤灰、煤矸石、礦井工業(yè)廢水等)的處理難題。在釋放壓煤的同時，地面農(nóng)田、建(構(gòu))筑物未遭到破壞，符合國家“三下”開采要求。該技術為長治地區(qū)煤炭企業(yè)采空區(qū)治理及“三下”壓煤的安全高效開采和礦山環(huán)境可持續(xù)發(fā)展指出一條新路，并為山西省乃至全國治理和恢復生態(tài)環(huán)境提供了經(jīng)驗，具有良好的推廣應用前景。