覆巖隔離注漿充填采煤方法的應(yīng)用

袁 猛

(山西省陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)沙鋼礦業(yè)投資有限公司，山西臨汾 043500)

0 引言

我國(guó)擁有豐富的煤炭資源，其中建筑物下壓煤占很大比例。以淮北礦業(yè)集團(tuán)為例，礦區(qū)范圍內(nèi)壓煤村莊多達(dá)300余處，建筑物下壓煤量約占礦區(qū)煤炭總量的47%，部分礦井的壓煤量占比高達(dá)80%左右。個(gè)別煤礦在采煤過(guò)程中，征遷費(fèi)用高達(dá)8～10億元。近年來(lái)，通過(guò)覆巖隔離注漿充填采煤方法在一定范圍內(nèi)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了村莊下采煤，不搬遷村莊的目標(biāo)，但還需對(duì)該充填開(kāi)采方法進(jìn)行深入研究，降低充填成本。

1 覆巖隔離注漿充填采煤方法原理

在煤礦開(kāi)采的早期階段，我國(guó)曾對(duì)離層區(qū)注漿充填等相關(guān)理論進(jìn)行了分析探討、試驗(yàn)探究，但試驗(yàn)結(jié)果未能達(dá)到預(yù)期效果，該理論的沉陷控制效果無(wú)法達(dá)到不遷村采煤的技術(shù)目標(biāo)。覆巖隔離注漿充填是對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的創(chuàng)新，該充填技術(shù)首先要進(jìn)行工作面采寬設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)需要留出一定的寬度作為隔離煤柱;然后充分利用覆巖層結(jié)構(gòu)所具備的自承載能力，進(jìn)行地面鉆孔，促進(jìn)采動(dòng)覆巖層高壓注漿充填工作面中的壓實(shí)支撐區(qū)的形成;最后利用壓實(shí)區(qū)和隔離煤柱就能夠?qū)Ω矌r關(guān)鍵層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行聯(lián)合控制，達(dá)到減小地表下沉的效果，實(shí)現(xiàn)不遷村采煤，其技術(shù)原理如圖1所示。該項(xiàng)技術(shù)原理通過(guò)了模擬實(shí)驗(yàn)，并在鉆孔原位探測(cè)中得到了相應(yīng)驗(yàn)證。

圖1 覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術(shù)原理示意圖

與傳統(tǒng)的離層區(qū)注漿充填技術(shù)相比，覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術(shù)進(jìn)行了兩方面創(chuàng)新，即隔離實(shí)施與改進(jìn)注漿充填工藝的機(jī)理與技術(shù)改進(jìn)。其中在沉陷控制機(jī)理中，不再單一地采用注漿充填體來(lái)追求減沉效果，而是利用前期留設(shè)的隔離煤柱與充填后形成壓實(shí)區(qū)來(lái)發(fā)揮作用。在工藝改進(jìn)方面，覆巖內(nèi)填充的壓實(shí)粉煤灰體積在開(kāi)采總體積中的占比有很大提升，達(dá)到了40%以上，為壓實(shí)區(qū)的形成提供了有力保障。在覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術(shù)的研究與應(yīng)用過(guò)程中，逐漸形成了“隔離尺寸確定，注漿充填鉆孔布置，進(jìn)而進(jìn)行工藝系統(tǒng)與參數(shù)設(shè)計(jì)”的技術(shù)設(shè)計(jì)方法，隨之形成的還有一套管理評(píng)價(jià)方法，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化論證、工程實(shí)施質(zhì)量控制、監(jiān)測(cè)與效果評(píng)價(jià)等手段，對(duì)技術(shù)使用工程進(jìn)行全面的質(zhì)量管理、費(fèi)用核算、過(guò)程管理以及規(guī)范制定等［1］。

2 覆巖隔離注漿充填不遷村采煤的適用性

采用覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術(shù)主要進(jìn)行的是對(duì)建筑物下壓煤的開(kāi)采，在實(shí)際開(kāi)采工程中，該項(xiàng)技術(shù)能夠在常規(guī)的長(zhǎng)壁綜采工作面上實(shí)施，單工作面的采寬可布置在150～200 m之間，單工作面的年產(chǎn)量能夠達(dá)到60～70萬(wàn)t，其中煤炭的采出率能夠達(dá)到80%以上，開(kāi)采時(shí)的地表下沉系數(shù)能夠穩(wěn)定控制在0．1～0．15之間。實(shí)際應(yīng)用統(tǒng)計(jì)顯示，噸煤充填的成本大約30～60元，初期投資主要是地面充填站的建設(shè)，投資金額在500萬(wàn)元左右。

采用覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術(shù)的開(kāi)采方法，與傳統(tǒng)的條帶開(kāi)采相比工作面更寬、采出率更高，更好地實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)壁高效開(kāi)采。與井下充填技術(shù)相比，其充填工藝更加簡(jiǎn)單，建設(shè)周期也明顯縮短。應(yīng)用覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術(shù)不需要改變?cè)械牡V井開(kāi)采工藝或增設(shè)新的充填支架。在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，充填過(guò)程與采煤過(guò)程不會(huì)發(fā)生較大的沖突或干擾，使充填成本明顯降低，采煤效率顯著升高［2］。

此外，相較于其他充填采煤方法，覆巖隔離注漿充填不遷村采煤方法的應(yīng)用需要滿(mǎn)足相應(yīng)的適用條件，對(duì)于基巖厚度超過(guò)100 m的單一煤層能夠達(dá)到較好的應(yīng)用效果，要求滿(mǎn)足的地面條件為鉆孔施工條件。在建筑物下局部壓煤的條件下，采用不遷村技術(shù)也能夠達(dá)到較好的開(kāi)采效果。

3 覆巖隔離注漿充填不遷村采煤的工程實(shí)例

覆巖隔離注漿充填不遷村采煤方法在淮北礦業(yè)集團(tuán)的8個(gè)煤礦區(qū)中12個(gè)壓煤采區(qū)得到了成功應(yīng)用，避免了22個(gè)村莊的搬遷(表1)，在應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)后，累計(jì)開(kāi)采出的村莊下壓煤總量為780．4萬(wàn)t，開(kāi)采過(guò)程的地表下沉系數(shù)穩(wěn)定在0．15以下，村莊內(nèi)的建筑均未被嚴(yán)重?fù)p壞，此后，該項(xiàng)技術(shù)逐漸向皖北煤電等礦區(qū)推廣。依據(jù)我國(guó)的煤礦地質(zhì)資源調(diào)查，村莊壓煤現(xiàn)象多屬于局部壓煤類(lèi)型，因此，覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術(shù)具有一定的推廣優(yōu)勢(shì)。

表1 覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術(shù)在淮北礦業(yè)集團(tuán)部分礦區(qū)的應(yīng)用情況

淮北礦區(qū)中的劉店煤礦，井田范圍內(nèi)的村莊分布十分密集，共77個(gè)，而壓煤村莊則多達(dá)50個(gè)以上，壓煤量在礦井儲(chǔ)量中占比達(dá)到80%，其中的104首采區(qū)，被兩個(gè)村莊共同壓覆，對(duì)開(kāi)采工作造成了很大的障礙。劉店煤礦井田為渦陽(yáng)新區(qū)，其地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，斷層發(fā)育以及煤層的賦存具有高度不穩(wěn)定性，實(shí)際開(kāi)采中，一個(gè)采區(qū)通常要布置1～2個(gè)工作面，且工作面的設(shè)置不規(guī)則。針對(duì)這種情況，若要進(jìn)行村莊整體搬遷，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，噸煤搬遷費(fèi)用可能要達(dá)到200元以上，前期投入過(guò)多的遷村費(fèi)用將會(huì)使整體開(kāi)采工作面臨嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。另外，在實(shí)際開(kāi)采時(shí)，還需要面對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題，礦井生產(chǎn)的可靠性與村民生活穩(wěn)定性形成了矛盾沖突。因此，劉店煤礦自2009年投產(chǎn)以來(lái)，在104采區(qū)、103采區(qū)、76采區(qū)以及101采區(qū)的所有工作面，全面采用覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術(shù)，保障了礦井的正常開(kāi)采。

101采區(qū)煤層平均傾角為25°，煤層埋藏深度在476～668 m之間，平均572 m，松散層實(shí)際厚度285 m，基巖厚度在191～383 m之間，平均值287 m，該采區(qū)被4個(gè)村莊壓覆。為了保障開(kāi)采的安全性，采區(qū)綜合1016與1018工作面進(jìn)行了覆巖隔離注漿充填的工作，以此減少地面的下沉，確保地面建筑物安全，避免了采礦帶來(lái)的搬遷問(wèn)題。完成隔離注漿充填以后，對(duì)地下的礦產(chǎn)進(jìn)行開(kāi)采，并不會(huì)影響地面建筑的穩(wěn)定性，同時(shí)，能夠在安全的工作環(huán)境中完成93．8萬(wàn) t煤炭的開(kāi)采工作，為該采區(qū)直接節(jié)省了7 000多萬(wàn)元的搬遷費(fèi)用，在獲得經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，獲得更多的社會(huì)效益［3］。

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展覆巖隔離注漿充填不遷村采煤方法研究，通過(guò)相關(guān)技術(shù)探索，實(shí)現(xiàn)不遷村采煤，減少了征遷費(fèi)用，降低了開(kāi)采成本，提高了煤礦效益。同時(shí)，還能推動(dòng)相關(guān)開(kāi)采技術(shù)與充填工藝的優(yōu)化升級(jí)。因此，重視對(duì)覆巖隔離注漿充填不遷村采煤方法的深入研究，適時(shí)推廣應(yīng)用，推動(dòng)我國(guó)煤礦“三下采煤”整體技術(shù)升級(jí)。