關嶺山煤礦15201 工作面控制采空塌陷的可行性研究

郎小光

（山西陵川崇安關嶺山煤業有限公司，山西 晉城 048313）

1 工程概況

1.1 概況

山西陵川崇安關嶺山煤礦15201 工作面開采15#煤層，埋深519～563 m，平均煤厚為5.99 m。15201工作面采用綜采放頂煤一次采全高開采工藝，采放比約為1:1，采用全部垮落法管理采空區，高抽巷與15201 工作面垂直距離為25～30 m。15201工作面“三下”壓覆資源區地表上方從北向南分布有物流市場、公交車站等建筑物，走向長度785 m。經調研與測算，若不采取措施地面賠償費用將高達1 億元[1]。

1.2 離層注漿充填技術分析

離層注漿充填技術是從地面布置鉆孔將充填料漿高壓注入巖層移動變形過程中覆巖內形成的離層空間，從而對離層上覆巖層形成有效支撐作用來控制地表沉陷。相比于其他充填開采方式，其主要優勢為不干擾井下正常生產，設備簡單易于操作，投資少，在控制地表沉陷的同時又為電廠粉煤灰找到地下存放場所，應用靈活，對局部壓煤開采適用性強[2]。

2 工作面上覆地層巖性特征分析

在采礦影響區施工勘查孔（GK01 孔），孔深380.5 m。施工設備為XY-44 型鉆機，TBW250/40型泥漿泵，配備73.5 kW 的4135 型柴油機和A 字形13 m 鉆塔。

該孔鉆所遇地層深度為64.00 m 的第四系地層和深度380.50 m、厚度316.50 m 的二疊系上石盒子組（未揭穿）地層，地層巖性主要以砂質泥巖、泥巖、粉砂巖、細粒砂巖、中粒砂巖和粗粒砂巖互層組成。上石盒子組地層為砂巖與泥巖互層，巖性差異較大，硬巖與軟巖層之間有利于形成離層空間，可開展離層注漿控制地表塌陷的施工。

鉆孔在鉆進過程中未穿見斷層，局部巖層中原生裂隙較發育，主要表現為縱向高角度節理裂隙。裂隙的發育對離層注漿不利，易造成漿液漏失，注漿層位選擇中應盡量避免該空間。簡易水文觀測結果顯示消耗量基本保持在0.01～0.18 m3/h，水位為0.00～17.87 m。煤田內各泥巖層的隔水性能較好，上下層的水力聯系較弱，可有效防止離層注漿過程中漿液水的向下滲透。

3 注漿充填參數的確定

3.1 關鍵層層位判斷

采用關鍵層判別方法判別關鍵層的層位，計算得到各關鍵層信息及其對應的工作面采寬，計算結果見表1。

表1 關鍵層詳細信息一覽表

單一關鍵層時，計算主關鍵層、亞關鍵層4、亞關鍵層3、亞關鍵層2、亞關鍵層1 極限垮距時對應的工作面采寬分別為300 m、272 m、212 m、198 m、164 m。

隔離注漿充填開采的承載結構模型可等效為條帶開采。等效的條帶采寬e和采寬a分別相當于充填承載區寬度c（即壓實區寬度）和隔離煤柱寬度b，注采比為K（注漿空間與開采空間的比值），充填承載區寬度按照注采比確定，則充填承載區寬度為：c=K·a；等效條帶采寬e為：e=（a-c）/2。進行等效之后，采寬a、隔離煤柱寬度b滿足下式：

式中：σp為有效隔離煤柱強度，MPa；γ為地層容重，N/m3；H為煤層埋深，m，θ為煤巖剪切角，取15°。σp按比涅烏斯基公式計算，見下式：

式中：σp為煤試件單軸抗壓強度，MPa；D為煤試件尺寸，m；M為煤層采高，m；n為系數，煤柱寬高比大于5 時取1.4，反之取1.0。

煤層單軸抗壓強度取10 MPa，計算可得安全煤柱寬度應不小于57 m。

3.2 兩帶高度確定

15#煤層基本頂以灰白色中厚層中粒或細粒砂巖為主，平均厚度6.10 m，砂巖平均抗壓強度80.70 MPa，平均抗拉強度3.1 MPa，平均抗剪強度12.6 MPa，屬于中硬-堅硬巖石。按經驗公式計算求得15#煤層開采的垮落帶高度為23.46 m，裂隙帶高度為74.09 m，兩帶影響的累計高度為97.55 m。

根據15201 工作面河下開采試驗可知，裂縫帶高度采厚比約為19.96 倍，采厚取5.99 m，得出裂隙帶高度為119.56 m。

3.3 注漿層位確定

（1）注漿層位應位于關鍵層下方離層區內，故5 個關鍵層下離層均可作為備選層位。

（2）注漿層位需位于裂縫帶上部，且需要留設5 倍煤層采高左右的圍護帶厚度，即29.95 m。因此，15201 工作面覆巖離層注漿層位應在距煤層頂板149.51 m 以上。

（3）以往經驗，一般情況下注漿層位應超過0.3倍煤層埋深。參照GK01 孔附近煤層埋深，取529 m，則注漿層位埋深應大于158.7 m 為宜。主關鍵層埋深為154.1 m，因此主關鍵層下不適宜作為注漿層位。

分析可知亞關鍵層1、2、3、4 均滿足注漿要求。同時考慮關鍵層巖性、厚度以及煤層距離，并結合離層注漿工程經驗，確定在注漿層位上方選定合適層位進行二次補強注漿，且補強注漿目標關鍵層位下方應存在較厚的低強度軟巖以便進行射孔。為確保一次注漿量及注漿效果，應在主注漿層位下方安全范圍內選定合適層位作為次要注漿層位以作為保障。最終選擇亞關鍵層2 作為主要注漿層位，亞關鍵層1 作為次要注漿層位，亞關鍵層3 作為二次注漿補強層位。高抽巷距離15201 工作面垂直距離為25～30 m，位于15#煤層裂縫帶內，注漿充填不會對高抽巷產生影響。

3.4 工作面寬度及煤柱寬度確定

主注漿層位亞關鍵層2 所對應的工作面安全采寬應不大于198 m，安全煤柱寬度應不小于57 m。基于開拓情況，工作面寬度與煤柱寬度之和應為235 m，工作面寬度和煤柱寬度應相應按照同比例進行縮小，縮小后的工作面寬度分別為170 m、180 m 和190 m，此時計算得到的煤柱最小寬度分別為54 m、55 m 和56 m，最終取工作面采寬為180 m、煤柱寬度為55 m，即可滿足當前采場的尺寸要求。

3.5 注漿區域確定

根據計算確定工作面安全生產寬度為180 m，注漿區域推進長度為785 m。

4 注漿充填控制沉陷效果模擬

采用UDEC 軟件進行模擬分析，研究15201 工作面開采過程中覆巖的下沉垮落及離層注漿對地表下沉的控制效果。

15201 工作面基巖上覆約70 m 的風砂土層。根據采煤工作面覆巖關鍵層理論，風砂層為松軟巖層，與下伏基巖表面運動一致，故模型只模擬了基巖段的變形運動。模型的節理劃分方式為硬巖層按理論破斷步距設置斷裂節理以分析其斷裂引起的上覆巖層的下沉運動，其他軟巖層只設水平層理，不設垂直各傾斜節理。

模型中巖體、節理變形破壞模型均為摩爾庫侖模型。數值模擬中將各煤巖層塊及裂隙面力學參數代入UDEC 軟件進行模擬分析，可得工作面注漿充填開采前后的覆巖下沉變形規律和地表沉陷變形特征數據。離層注漿充填前，煤柱應力集中程度較高，說明上覆巖層重量主要由煤柱承載，隨著采場范圍的不斷擴大，上覆巖層依次破斷，直至主關鍵層發生破斷，從而引起地表沉降。離層注漿充填后，在高壓漿體和覆巖的自重作用下，在工作面中部形成充填壓實區，且注漿充填后的煤柱應力集中程度降低，在煤柱和充填壓實體的共同承載下，可保持主關鍵層不發生破斷，進而有效控制地表下沉。

依次回采15201、15203 工作面后，15201 工作面上覆巖層離層區不進行充填，模擬得到地表移動變形規律數據。依次回采15201、15203 工作面后，15201 工作面上覆巖層離層區進行充填，模擬得到地表移動變形規律數據。

根據數值模擬結果可得到離層區是否充填對地表移動變形的影響。通過覆巖離層注漿可使地表建筑物損壞程度達到《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓強開采視范》（2017 年版）中的Ⅲ級保護標準。因此，從保護地表建筑物的角變看，開采15201 工作面時進行覆巖離層注漿可對地表建筑物進行有效保護。

5 結論

結合關嶺山煤礦地質條件對離層注漿充填技術方案進行了論證，確定了15201 充填工作面寬度為180 m，煤柱寬度為55 m。依據GK01 孔鉆探成果確定亞關鍵層2 可作為主要注漿層位，亞關鍵層1可作為次要注漿層位，亞關鍵層3 可作為二次注漿補強層位。注漿層位埋深為249.7～338 m，位于二疊系上石盒子組。數值模擬結果表明，實施覆巖離層注漿工程可有效減少地表下沉，使地表建筑物滿足保護需求，確保礦井安全高效開采，可釋放“三下”煤炭資源量約118 萬t。