采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿控制地面沉陷技術(shù)研究及應(yīng)用

呂 毅

(潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)公司 夏店煤礦，山西 長(zhǎng)治 046200)

煤炭開(kāi)采所造成地表沉陷對(duì)人類(lèi)的生存環(huán)境產(chǎn)生一系列的消極影響。沉陷區(qū)的生態(tài)恢復(fù)直接關(guān)系到礦區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，是我國(guó)礦區(qū)所面臨的一個(gè)亟待解決的難題。我國(guó)生產(chǎn)礦井“三下”壓煤約140億t，“三下”壓煤開(kāi)采問(wèn)題一直是困擾我國(guó)煤礦的重大技術(shù)難題。山西屬于煤炭大省，但由于開(kāi)采時(shí)間較長(zhǎng)，大量煤礦逐漸進(jìn)入資源枯竭期，與此同時(shí)，村莊、建(構(gòu))筑物、鐵路下壓覆了大量煤炭資源，礦區(qū)遷村、搬遷難度大，費(fèi)用高，地礦關(guān)系復(fù)雜，且傳統(tǒng)的“三下”開(kāi)采技術(shù)存在初期投資大、充填成本高、采充作業(yè)相互干擾、工效低等問(wèn)題。如何合理解決“三下”壓煤開(kāi)采問(wèn)題一直是困擾煤礦企業(yè)的重要課題之一，研究建(構(gòu))筑物下低成本、高效能、可持續(xù)的新型采煤技術(shù)必要而緊迫。

夏店煤礦位于山西省襄垣縣境內(nèi)，隸屬于潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司，井田內(nèi)村莊及建筑物壓煤較多，為解放“三下”壓煤，消除開(kāi)采對(duì)村莊、建筑物的影響，經(jīng)過(guò)大量“三下”開(kāi)采調(diào)研，夏店煤礦與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、中國(guó)煤炭地質(zhì)總局合作，提出新型采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿充填技術(shù)，并在3117綜放工作面進(jìn)行了工程實(shí)踐，解決了夏店煤礦村莊及建筑物下壓煤的開(kāi)采問(wèn)題。

1 采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿技術(shù)原理

1.1 基于巖層移動(dòng)與控制的關(guān)鍵層理論

關(guān)鍵層理論認(rèn)為，對(duì)其上部巖層起控制作用的巖層稱(chēng)為亞關(guān)鍵層，對(duì)其上直至地表全部巖層起控制作用的巖層稱(chēng)為主關(guān)鍵層，采動(dòng)覆巖離層主要出現(xiàn)在各關(guān)鍵層下面，且離層的最大發(fā)育高度止于主關(guān)鍵層下方。地表塌陷是因?yàn)殡S著工作面推進(jìn)，關(guān)鍵層下方的離層量不斷增大，當(dāng)亞關(guān)鍵層發(fā)生初次破斷后，離層空間將會(huì)向上傳遞至上一層亞關(guān)鍵層下方，直至主關(guān)鍵層發(fā)生破斷，離層空間將傳遞到地表形成地表塌陷[1]，見(jiàn)圖1。

1.2 采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿技術(shù)原理

采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿充填技術(shù)是依據(jù)關(guān)鍵層理論，通過(guò)覆巖離層區(qū)注漿，提前干預(yù)覆巖的活動(dòng)狀態(tài)，人為形成覆巖結(jié)構(gòu)與充填壓實(shí)承載區(qū)，進(jìn)而控制地面沉陷過(guò)程，實(shí)現(xiàn)采空塌陷的有效控制。具體為在地面施工鉆孔至目標(biāo)層位，使用壓力泵將粉煤灰漿液通過(guò)注漿管注入覆巖離層區(qū)域，漿液沉淀后形成飽和壓實(shí)體，從而對(duì)上部關(guān)鍵層起到支撐作用，形成“離層區(qū)充填體+煤柱+關(guān)鍵層”的承載體，保證上覆巖層及地面不發(fā)生破壞與變形[1-2]，見(jiàn)圖2。

1.3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1) 依據(jù)關(guān)鍵層理論，在關(guān)鍵層下部離層空間內(nèi)注入高壓充填漿體，漿體經(jīng)脫水壓實(shí)后的充填體對(duì)上覆巖層起到支撐作用，從而減緩或消除巖層移動(dòng)向地表的傳播，為“三下”壓煤開(kāi)采提供了一條新的技術(shù)途徑。

2) 系統(tǒng)簡(jiǎn)單獨(dú)立，通過(guò)在地面打鉆進(jìn)行注漿，避免了井下傳統(tǒng)充填和工作面回采相互交叉作業(yè)所帶來(lái)的不安全因素。

3) 采用定向鉆井技術(shù)，準(zhǔn)確找到地下注漿層位靶域，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向注漿，解決了因地表?xiàng)l件限制無(wú)法垂直鉆進(jìn)的問(wèn)題。

4) 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)開(kāi)采，解決了傳統(tǒng)注漿充填工作面回采時(shí)需等待注漿料初凝的難題。

5) 首次提出了在原有注漿孔上部層位選擇關(guān)鍵層，實(shí)施單孔多級(jí)注漿，增強(qiáng)注漿效果的方法(二次補(bǔ)強(qiáng))。

6) 注漿漿體采用粉煤灰與水的混合物，注漿材料成本低，同時(shí)做到了廢物利用，為實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采提供了新的思路。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3117綜放工作面為新型采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿技術(shù)試驗(yàn)工作面，工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式低位放頂煤、全部垮落法的綜合機(jī)械化采煤方法，采寬187 m，工作面正上方地面瓦斯泵站壓煤約234 m，現(xiàn)對(duì)3117工作面進(jìn)行覆巖離層區(qū)注漿充填設(shè)計(jì)。

2.1 關(guān)鍵層的判斷及破斷距

從技術(shù)原理可知，該技術(shù)的第一步應(yīng)進(jìn)行關(guān)鍵層的判斷和選取，參照3117工作面附近JJ-1鉆孔柱狀圖，根據(jù)地層巖性、厚度、 巖石力學(xué)參數(shù)，依據(jù)關(guān)鍵層判別方法判斷關(guān)鍵層的層位，同時(shí)采用固支梁、板理論，計(jì)算了關(guān)鍵層破斷距[2]，見(jiàn)表1。

表1 關(guān)鍵層詳細(xì)信息及破斷距

2.2 注漿層位的選擇

采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿的層位應(yīng)在關(guān)鍵層以下的離層區(qū)內(nèi)，在導(dǎo)水裂隙帶之上，因此需先確定采空區(qū)上覆巖層兩帶范圍，根據(jù)實(shí)測(cè)法計(jì)算垮落帶與裂隙帶高度。

采空區(qū)垮落帶高度：H垮=(2～3)M=(2～3)×6.2=12.4～18.6 m(M為煤層采高，取6.2 m)。

采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶高度：H裂=kM=22×6.2=136.4 m(k為裂采比，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果取22)。

根據(jù)計(jì)算，取導(dǎo)水裂隙帶高度136.4 m。注漿時(shí)為了防止離層區(qū)與導(dǎo)水裂隙帶之間貫通，需要留設(shè)5倍煤層采高左右的圍護(hù)帶厚度(5×6.2=31 m)，則離層注漿的層位應(yīng)在距煤層167.4 m以上。

根據(jù)上述分析注漿層位應(yīng)在主關(guān)鍵層下方離層區(qū)內(nèi)，即距煤層距離為182.65 m。

2.3 注漿工作面參數(shù)選擇

1) 根據(jù)關(guān)鍵層破斷距與覆巖破斷角確定關(guān)鍵層極限跨距時(shí)對(duì)應(yīng)的注漿充填工作面采寬，其對(duì)應(yīng)采寬見(jiàn)表2。

表2 關(guān)鍵層極限跨距對(duì)應(yīng)工作面采寬(按梁計(jì)算)

根據(jù)表2中主關(guān)鍵層極限垮距對(duì)應(yīng)的工作面采寬，可知注漿工作面采寬應(yīng)小于191.3 m。 3117工作面原始采寬為187 m，滿足要求。

2) 隔離煤柱不僅能支撐煤柱上覆巖層重量及兩側(cè)采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的部分重量，還可防止煤柱上方關(guān)鍵層上下區(qū)段離層區(qū)貫通。按極限強(qiáng)度理論與巖層移動(dòng)理論計(jì)算后，取二者中較大值。

按極限強(qiáng)度理論計(jì)算： 隔離煤柱寬度b≥51.1 m。

按巖層移動(dòng)計(jì)算： 隔離煤柱寬度b≥59.35 m。

取兩者大值，確定注漿充填試驗(yàn)區(qū)隔離煤柱59.4 m。3117工作面兩側(cè)為實(shí)煤體，滿足要求。

2.4 注漿鉆孔布置

注漿鉆孔的布置是根據(jù)關(guān)鍵層極限跨距和漿液擴(kuò)散半徑，并結(jié)合工作面采寬、現(xiàn)場(chǎng)條件等因素來(lái)確定的，3117工作面共設(shè)計(jì)鉆孔7個(gè)，其中定向鉆孔5個(gè)，直孔兩個(gè)，鉆孔均需按要求打鉆至主關(guān)鍵層下方位置，鉆孔布置見(jiàn)圖3，各鉆孔參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 3117工作面注漿鉆孔布置

表3 鉆孔參數(shù)

2.5 鉆孔注漿

地面注漿站于2018年8月25日完成土建及安裝調(diào)試工作，具備注漿條件，2018年10月15日開(kāi)始正式注漿。截至2019年12月30日，所有鉆孔均已完成注漿任務(wù)，累計(jì)注漿量35.6萬(wàn)m3，注灰量26.1萬(wàn)t，各鉆孔注漿效果示意見(jiàn)圖4。

圖4 3117工作面各鉆孔注漿效果示意

3 地表沉降觀測(cè)

3117工作面于2018年11月18日進(jìn)入充填開(kāi)采區(qū)域，2019年6月28日收尾結(jié)束，共推進(jìn)234 m，釋放壓煤37.5萬(wàn)t，地面注漿工程于2019年12月30日結(jié)束。

注漿減沉區(qū)域從2018年9月12日首期監(jiān)測(cè)至2020年2月29日，共進(jìn)行125次監(jiān)測(cè)，井下回采工作面已結(jié)采8個(gè)月，最大累積沉降量為76.08 mm，其中關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)變電室區(qū)域最大沉降量為36.47 mm，瓦斯泵站房角最大沉降量為10.88 mm，沉降速率穩(wěn)定在0.002 mm/d以?xún)?nèi)，地表及瓦斯泵房?jī)?nèi)設(shè)備基礎(chǔ)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的水平變形、傾斜及曲率等變形指標(biāo)均滿足國(guó)家關(guān)于建筑物一級(jí)保護(hù)等級(jí)規(guī)定中的要求,見(jiàn)表4。

表4 注漿減沉區(qū)域觀測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

夏店煤礦采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿項(xiàng)目成功釋放壓煤37.5萬(wàn)t，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)3 950萬(wàn)元，且符合充填開(kāi)采煤礦稅收優(yōu)惠政策，已完成退稅810萬(wàn)元，隨著該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，地面注漿站等初期投入將持續(xù)發(fā)揮作用，企業(yè)利潤(rùn)空間將進(jìn)一步擴(kuò)大。該項(xiàng)目的成功應(yīng)用將為潞安集團(tuán)及其他煤礦企業(yè)類(lèi)似煤層條件下開(kāi)采及采空塌陷防治提供示范，帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

本次注漿消耗了電廠粉煤灰26.1萬(wàn)t。當(dāng)前固廢處理，特別是無(wú)害化綠色處理是企業(yè)面臨的一大難題，固廢處理存在難度大、費(fèi)用高的情況，該技術(shù)的應(yīng)用，有效解決了固廢(粉煤灰、煤矸石、礦井工業(yè)廢水等)的處理難題。在釋放壓煤的同時(shí)，地面農(nóng)田、建(構(gòu))筑物未遭到破壞，符合國(guó)家“三下”開(kāi)采要求。該技術(shù)為長(zhǎng)治地區(qū)煤炭企業(yè)采空區(qū)治理及“三下”壓煤的安全高效開(kāi)采和礦山環(huán)境可持續(xù)發(fā)展指出一條新路，并為山西省乃至全國(guó)治理和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境提供了經(jīng)驗(yàn)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。