常村煤礦2311工作面上覆巖離層注漿技術保護地表鐵路研究

苗 鑫

(晉能控股煤業(yè)集團 山西新村煤業(yè)有限公司，山西 長治 046300)

1 問題的提出

常村煤礦是山西潞安環(huán)保能源開發(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，底板標高+431～515.7 m，地面標高+949.4～953.8 m，上覆地表有余吾鐵路運銷專線，如對鐵路留設保護煤柱，將損失煤炭資源148萬t。

余吾鐵路運銷專線為余吾煤礦煤炭鐵路運輸專線，每天運力約2萬t，若因采煤引起地表沉降導致鐵路破壞，將直接影響余吾煤礦煤炭鐵路運輸。

常村煤礦為節(jié)約煤炭資源、延長礦山服務年限，決定采用覆巖離層區(qū)注漿充填技術釋放上述壓覆的148萬t煤炭資源，同時保護地表鐵路，實現(xiàn)綠色開采。

2 覆巖離層注漿減沉開采技術簡介

覆巖離層注漿減沉開采技術是在對煤炭開采形成的上覆巖層離層空間進行研究的基礎上，將粉煤灰制成的漿液通過地表鉆孔注入地下離層空間，提前干預上覆巖層下沉，人為形成覆巖結構，進而控制地表塌陷。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、制漿系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、閉漿措施等組成,見圖1。

圖1 覆巖離層注漿技術原理示意

3 地表沉降情況預測

3.1 研究目的

對常村礦2311工作面開采時，預測采用覆巖離層注漿充填技術與不采用覆巖離層注漿充填技術兩種方案時地表的變形情況。

3.2 地表沉陷預測方法——地表變形預計采用的數(shù)學模型

1) 地表任意點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為待求點坐標[1]。

2) 地表任意點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(沿逆時針方向旋轉)，φT=arcot[TyCx/(TxCy)] ；T(x,y)m為待求點的最大傾斜值，mm/m；；Tx、Ty分別為待求點沿走向和傾向主斷面上投影點處迭加后的傾斜變形值，mm/m[2]。

3) 地表任意點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為待求點最大曲率變形值；Kx、Ky分別為待求點沿走向和傾向在主斷面上投影點處迭加后的曲率值[3]。

4) 地表任意點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

3.3 不采取覆巖離層注漿充填技術地表采動沉陷預測

綜合分析已有巖移監(jiān)測資料，并參考周邊相似地質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2311工作面減沉區(qū)域的地表變形情況進行預測，預測結果見表1。

表1 常村礦2311工作面不采取注漿充填技術時地表變形預測值

3.4 采取覆巖離層注漿充填技術地表采動沉陷預測

分析2311工作面的注漿條件：地層軟硬互層結構；關鍵層為堅硬且剛度大的巖層，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會取得較好的效果。同時，考慮粉煤灰充填體較好的壓縮特性，并參考國內有關注漿減沉實例的減沉效果以及本區(qū)域的地質條件和采礦條件，取減沉率為0.80進行注漿減沉后地表的變形預測。采用概率積分法對注漿減沉后的地表變形情況進行預測，預測結果見表2。

表2 常村礦2311工作面減沉區(qū)域采取注漿時地表變形預測值

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后，地表變形量大幅下降，達到了地表減沉的目的。

4 受采動影響鐵路地表變形及變形速度分析

4.1 礦用鐵路地表變形分析

1) 地表礦用鐵路變形分析。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，運用數(shù)值分析法，可計算出礦用鐵路在2311工作面開采時，采取覆巖離層注漿充填技術和不采取注覆巖離層漿充填技術的情況下，礦用鐵路地表的變形情況，見表3。

表3 在采取和不采取覆巖離層注漿充填技術情況下礦用鐵路地表的變形

2) 鐵路等級分類及其允許變形范圍。依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》的規(guī)定可知，2311工作面上方礦用自備鐵路屬于Ⅲ級鐵路，Ⅲ級鐵路的最大允許變形量見表4。

對比表3和表4可知，采取覆巖離層漿充填技術后，鐵路的地表變形量非常小，可滿足《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》規(guī)定的要求。

表4 Ⅲ級鐵路地表最大允許變形

4.2 受采動影響后的鐵路地表變形速度分析

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算：

式中：C為工作面推進速度，m/d；Wmax為地表最大下沉值，mm；H0為平均開采深度，m；K為下沉速度系數(shù)，取4.13。

經(jīng)計算可知，注漿與非注漿條件下地表的最大下沉速度值見表5。

表5 注漿與非注漿條件下地表的最大下沉速度值

由上述預計結果可知，正常開采時地表最大下沉速度大，達75.8 mm/d，而《鐵路工務規(guī)則》規(guī)定線路一次起道或撥道超過100 mm，就需要進行線路封鎖施工，因此正常開采方案難以實現(xiàn)維修期間的不間斷行車。另外，鐵路的移動變形量大，易造成線路坡度、鋼軌水平、軌縫的顯著變化，使之達到或超過線路的允許變形值，而且鐵路沉陷變形的發(fā)生、發(fā)展過程非常迅速，難以及時有效地進行調整和維修，給線路正常行車造成隱患。

與正常開采相比，采用覆巖離層注漿減沉技術后，地表動態(tài)移動變形值明顯減小，加之本區(qū)域采深較大，地表移動變形是大范圍、連續(xù)和漸變的，在開采過程中對線路可隨時進行簡單維修，及時消除動態(tài)變形影響，保證線路上的安全行車。

5 結 語

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，地表鐵路的變形量會非常大，且變形速度會非常快。采取上覆巖層離層區(qū)注漿技術后，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與壓煤開采規(guī)范》的相關規(guī)定，地表鐵路的變形速度小于《鐵路工務規(guī)則》的相關規(guī)定。因此，采用上覆巖層離層區(qū)注漿技術可保障地表鐵路線的正常安全運營，并為常村煤礦解放煤炭資源148萬t。