公路下覆巖隔離注漿充填開采應用技術研究

周正兵

(山西呂梁中陽付家焉煤業有限公司,山西 呂梁 033400)

近年來煤體開采規模擴大，一些礦井出現了地表建筑物壓煤的問題，給礦井生產接續造成了一定的困難[1-2]。如何在不破壞地表建筑物的情況下，實現煤體安全高效綠色開采成為了困擾現場工程技術人員的難題之一。隨著采空區充填開采技術的發展，涌現出了覆巖隔離注漿充填開采技術，該技術可以減小上覆巖層關鍵層的穩定性，降低地表沉降，提升經濟效益[3-5]。

1 工程概況

付家焉煤業一采區位于井田北部，開采4煤和10煤，其中4煤局部可采，主采10煤。10煤已回采10101工作面，正在回采10107工作面。10107工作面寬158.6 m，采用放頂煤開采工藝，煤厚平均6 m。10106為10107接替工作面，兩面間留設30 m 煤柱，西側為實體煤。10106 工作面寬194.5 m，走向1 152.3 m，煤厚平均5.53 m，煤層傾角平均11°，因中陽縣待修運煤公路橫穿整個一采區，公路兩側留設了保護煤柱，寬度約450～490 m，估算壓煤量1 500萬t。10106工作面公路壓煤區域煤層底板標高+714～+782 m，地面標高+980～+1 053 m，埋深223～339 m，平均272 m。10106工作面對應地表為山地，地形起伏，且公路位于山溝內，基巖裸露，其他區域松散層厚度平均約40 m。

10106工作面局部被待修運煤公路所壓覆，壓煤量101萬t(壓覆區域走向703 m，采高 5.53 m，煤容重1.41 t/m3)。若公路壓煤棄采，會造成煤體資源嚴重浪費且嚴重影響礦井的正常生產接續，因此付家焉煤業決定對10106工作面采用覆巖隔離注漿填充開采技術，進一步控制待修公路區域的下沉量，實現安全綠色開采。

2 覆巖隔離注漿充填技術原理

覆巖隔離注漿充填綠色開采技術是一種高效低成本部分充填開采技術，基本原理是：找出控制地表沉陷的關鍵層，基于關鍵層不破斷設計合理的注漿充填開采參數，在關鍵層破斷前，通過地面鉆孔向其下方封閉的離層腔體高壓注漿充填，產生“壓下托上”作用，將關鍵層下方碎脹巖體壓實形成支撐體，阻止關鍵層破斷，控制地表沉陷，從而保障地面建(構)筑物安全，實現不搬遷開采的目的，技術原理如圖1所示。

圖1 技術原理示意

3 工作面覆巖隔離注漿充填方案

3.1 注漿充填技術適用性評價

基于覆巖隔離注漿充填開采技術原理及其基本適用條件，結合付家焉煤業10106 工作面基本開采技術條件和建(構)筑物的分布情況，對工作面采用覆巖隔離注漿充填技術的可行性進行分析。

3.1.1 工作面開采條件

從現有開采情況來看，10106 工作面寬194.5 m(含兩巷)，滿足注漿充填要求，采高約5.53 m，該類似條件已經在其它礦井得到了成功應用。

3.1.2 基巖厚度條件

待修運煤公路壓煤區域的埋深普遍較小，埋深223～339 m，平均272 m，基巖最小厚度僅223 m，在 10106工作面寬194.5 m、采高5.53 m的條件下，該基巖厚度偏小，若實施注漿充填，存在地面跑漿風險。

3.1.3 外部條件

待修運煤公路兩側壓煤區域地形復雜，局部區域落差較大，對鉆孔施工造成較大影響，將增加修路和定向鉆孔施工的成本，其余注漿需要的場地、水電、粉煤灰原材料等條件具備。

綜上所述，在10106工作面寬194.5 m、采高5.53 m的條件下，基巖厚度嚴重偏小，雖可嘗試實施注漿充填，但存在地面跑漿導致地表沉陷偏大的風險。地表局部地勢起伏較大，影響鉆孔的施工，但工作面適用覆巖隔離注漿充填開采技術。

3.2 注漿充填工藝

覆巖隔離注漿充填開采技術的工藝流程見圖2所示，將電廠粉煤灰通過水泥罐車運輸至地面一級注漿站，并存放于立罐中。立罐中的粉煤灰通過氣泵高壓輸送至一級注漿站的一級攪拌池進行攪拌制漿，然后流入二級攪拌池進行二級攪拌，最后通過泵房內的注漿泵，將二級攪拌池內的漿體壓入輸送管路，然后進入鉆孔進行注漿充填。設計泵站最大注灰能力1 500 t/d，且要求注漿泵站具備1 200 t/d的儲灰能力。

圖2 覆巖隔離充填開采注漿工藝流程

3.3 注漿充填工程量

根據10106工作面實際開采條件，在工作面區域內設計5個注漿鉆孔，每個注漿轉孔采用2開成孔，1號和2號孔要下套管，3號孔采用裸孔直到終孔為止。鉆孔平均深度280 m，根據地表起伏及工作面地質構造現場情況適當調整孔深。共計施工鉆孔1 364.3 m，注入粉煤灰335 000 t。

4 工程應用效果分析

10106工作面過注漿區域過程中，沿走向距離注漿邊緣200 m處布置1條測線，沿工作面布置方向在測線上布置9個測點對地表沉陷進行了觀測，如圖3所示。整個推進過程中累計出現了58次地表沉陷，觀測結果如圖4所示。

圖3 測點布置示意

圖4為10106工作面距離測線不同距離時，地表沉降監測結果。由圖可以看出，隨著工作面靠近觀測點，地表沉陷量表現出了不同的特征，測點距離工作面預計地表沉陷量，沿走向最大沉陷發生在工作面過測點100 m處，隨著工作面繼續推進，沉陷開始減小，當工作面推過測線150 m后地表沉陷量趨于穩定。沿工作面布置方向，地表沉陷最大值發生在中部，表現為由中部向兩側減小。整個觀測過程中地表最大沉陷量為263 mm，該下沉對地面建筑物不造成影響。

圖4 地表沉降監測結果

通過實施覆巖隔離注漿充填開采技術，工作面多回收煤炭101萬t，按照每噸260元計算，多回收煤炭銷售收入約為3.03億元，注漿充填項目共計費用約5 500萬元，扣除注漿成本后預計增收2.48億元，經濟效益顯著。

5 結 語

1) 通過對公路下10106工作面注漿充填技術評價，得出工作面基巖厚度嚴重偏小，存在地面跑漿導致地表沉陷偏大的風險。地表局部地勢起伏較大，影響鉆孔的施工，但整體方案可行。

2) 通過工作效果驗證，地表最大沉降量僅為263 mm，對地表建筑物沒有任何影響。

3) 通過實施覆巖隔離注漿充填技術，礦井可實現增收2.48億元。