覆巖離層注漿技術在趙莊煤礦采面中的應用

花 偉

（山西晉能控股裝備制造集團晟泰能源投資有限公司，山西 晉城 048000）

煤炭開采后會形成采空區，采空區上覆巖層在覆巖重力、采動壓力等作用下會出現彎曲、下沉，若不提前采取措施會導致開采區地表塌陷、地表構筑物損壞等問題[1-2]。因此，一般情況下為確保地表水體或者構筑物等安全，井下需要留設大范圍保護煤柱。但對于部分資源逐漸枯竭的礦區（礦井）而言，實現地表構筑物下采煤對增加可采資源儲量、提高礦井經濟效益以及延長礦井服務時間等均有顯著效果。晉城煤業集團趙莊煤礦二號井面臨的地面村莊及構筑物壓煤問題十分嚴峻[3-4]。由于壓煤影響，工作面采掘接替計劃被打亂，使得礦井穩產面臨極其嚴峻的挑戰。因此，解放村莊及構筑物壓煤是礦井持續發展的一項重要舉措。為此，提出采用覆巖隔離注漿充填開采方式，確保采面回采后采空區覆巖穩定，降低地表變形量，以確保地表構筑物可正常、安全使用。

1 工程概況

趙莊煤礦二號井2307 工作面與北部2309 工作面間預留35 m 寬護巷煤柱，南為實體煤，西部為采區巷道保護煤柱，東部正在回采。2307 工作面回采3#煤層，煤層傾角為0°～6°，平均3°。煤層厚度3.9～5.2 m，平均4.5 m，結構簡單，普氏硬度f=0.4～1.32。3#煤頂板為砂質泥巖，底板為砂質泥巖、粉砂巖，煤層頂底板巖性如表1 所示。2307 工作面采用綜采放頂煤工藝開采，采高2.8 m，放煤1.4～2.0 m，采放比1∶0.5～1∶0.72，單刀循環進尺0.6 m。

表1 3#煤層頂底板巖性

2307 面從壓煤線位置到預計收作線位置，包括兩段（寬面和窄面）：一段部分是南部興旺村村莊的保護煤柱，對應推進長度32 m，面寬175.5 m（不含兩巷），煤厚4.2 m，容重1.42 t/m3，煤量約0.033 Mt；另一段是明瑞建材廠保護煤柱，對應推進長度266 m，面寬115.5 m（不含兩巷），煤厚4.2 m，容重1.42 t/m3，煤量0.183 Mt，具體采面地面構筑物壓煤情況如圖1 所示。為提高煤炭資源回收率并提高煤炭產量，提出采用覆巖離層注漿充填開采技術應用到2307 面，通過覆巖注漿實現保護煤柱區域內煤層回采并降低回采期間地表變形量。

圖1 采面地表構筑物壓煤情況

2 離層注漿充填參數設計

2.1 注漿層確定

（1）邊界條件分析

邊界條件有固定邊界、非固定邊界兩種類似。固定邊界以實體煤、保護煤柱等為主。在固定邊界條件下對主關鍵層下注漿即可滿足覆巖離層、變形控制需要。非固定邊界是面向開采區邊界，為控制覆巖離層及變形量，需要對主關鍵層及其下部的第1 個亞關鍵層進行注漿，如圖2 所示[5-8]。2307工作面為采動邊界，因此需要對亞關鍵層、主關鍵層注漿。

圖2 非固定邊界覆巖離層注漿

圖3 注漿鉆孔布置

（2）關鍵層判定

根據位于2307 工作面回采的3#煤層頂底板巖性、地質鉆孔探測結果并結合相關理論研究成果，對離層注漿層位進行綜合判定，關鍵層判定結果如表2 所示。

表2 關鍵層判定結果

（3）導水裂隙帶發育高度確定

2307 面回采后引起的導水裂隙帶發育高度采用工程類比法確定。依據鄰近礦井3#煤層回采后導水裂隙帶發育高度探測結果確定導水裂隙帶發育高度約為采高的13.74 倍，則導水裂隙帶高度H 為57.7 m。

（4）注漿層位確定

注漿層位處于關鍵層下方離層區內，故表2中的各關鍵層均可作為備選注漿層位。在注漿層位選擇時為避免離層區與導水裂隙帶貫通，注漿層位應處于頂板導水裂隙帶之上，并留設一定保護寬度R（保護寬度為5 倍采高，本工作面取5 m×4.2 m=21 m），則注漿層與3#煤層頂板間隔應在78.7 m。（H +R=57.7 m+21 m=78.7 m）以上。注漿層位不宜與地面間距過小，一般應超過煤層埋深的0.3 倍，3#煤層埋深486 m，因此注漿層位深度應超過146 m。

根據上述分析并綜合表2 中關鍵層數據，綜合考慮關鍵層厚度、巖性等，決定將亞關鍵層2、亞關鍵層3 分別當作主要注漿層位、次要注漿層位，亞關鍵層1 為注漿補強層位。

2.2 鉆孔布置位置

結合2307 工作面實際，布置5 個注漿鉆孔，分別為注3、注4、注5、注5-1、注6 和注6-1，在采面采動邊界位置布置注3、注4，對在次要注漿層（亞關鍵層3）位注漿。其余鉆孔（注5、注5-1、注6 和注6-1） 對主要注漿層位（亞關鍵層2）注漿。二次注漿補強依據地表變形確定。鉆進使用設備包括有GZ-2000 型 （重2000） 鉆機、3NB-1300型泥漿泵及其他配套施工設備等。

2.3 注漿充填工藝

（1）注漿充填系統

覆巖隔離注漿充填流程為： 將電廠粉煤灰運輸至注漿站，并存放于立罐中。粉煤灰輸送至攪拌池攪拌制漿，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漿體壓入鉆孔注漿充填，如圖4 所示。注漿站初步選址趙莊二井西風井工業廣場大院內，泵站最大注灰能力達到1 500 t/d。

圖4 注漿充填系統

（2）注漿充填參數

注漿漿液選擇粉煤灰+ 水，按照水灰比1:1配比，漿液濃度為漿體密度按1.3 t/m3配制。結束注漿： 當注入壓實粉煤灰體積達到采出體積35%～0%，注漿壓力達到地層自然壓力1.3～1.5 倍，連續三天單孔注灰量小于50 t/d，則可以結束。注漿選用F-30 型注漿泵。孔口壓力維持在4.5～5.5 MPa。

3 覆巖離層注漿充填效果分析

完成覆巖離層注漿后對2307 工作面回采后地表沉陷情況進行監測，部分測點布置為準如圖5所示，變形監測結果如表3 所示。從監測結果看出：①2307 工作面注漿充填開采后，煙囪最大下沉110 mm，最大傾斜1.2 mm/m，最大拉伸變形0.6 mm/m，最大壓縮變形0.3 mm/m，煙囪變形得到有效控制，符合安全保護要求。②明瑞建材廠最大下沉320 mm，最大傾斜1.7 mm/m，最大水平變形-0.7～0.6 mm/m，最大曲率0～0.006 mm/m2，建筑物變形處于I 級以內。③郭家莊和興旺莊建筑變形均處于I 級以內。通過覆巖離層注漿后，可有效減少地表變形量，實現了地表構筑物下煤炭的安全回采，現場應用取得較為顯著的經濟效益。

表3 地表變形監測結果

4 結語

以2307 綜放工作面回采為工程背景，依據現場工程地質條件，確定3#煤層上覆108.81 m 的粗砂巖（層厚13.75 m）、上覆86.46 m 的細砂巖（層厚7.8 m） 以及上覆184.11 m 的粗砂巖 （層厚11.10 m）分別為主要注漿層、次要注漿層及補強注漿層。注漿漿液采用煤灰+水，按照水灰比1:1配比，注漿壓力4.5～5.5 MPa。

2307 綜放工作面采用覆巖離層注漿后，采面可多回收煤炭資源約0.216 Mt，同時采空區對應的地表變形得以較好控制，實現了地表構筑物下壓煤區的安全回采，在一定程度上提高了采面煤炭資源回收率，并降低了礦井開采成本。