3116 工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及離層充填注漿技術(shù)研究

武俊州

（潞安化工集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 工程概況

山西潞安礦業(yè)集團(tuán)夏店煤礦3116 工作面井下位于三一采區(qū)，工作面北部為31 采區(qū)大巷，南部為邊界保護(hù)煤柱，東部為3112 工作面采空區(qū)，西部為實(shí)體煤。工作面開(kāi)采3#煤層，煤層均厚5.93 m，平均含有一層夾矸，3#煤層頂?shù)装鍘r層特征見(jiàn)表1。工作面傾斜長(zhǎng)度200 m，走向長(zhǎng)度1072 m，采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采方法，開(kāi)采高度為3 m，采放比為1:0.9，循環(huán)進(jìn)度為0.8 m。由于工作面回采區(qū)域地面有建筑物，為有效控制回采后地表的沉陷，需進(jìn)行覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律及覆巖離層注漿技術(shù)研究。

表1 頂?shù)装鍘r層特征表

2 覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

為分析3116 工作面回采作業(yè)時(shí)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用UDEC 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行工作面回采期間覆巖裂隙發(fā)展及破斷規(guī)律分析。根據(jù)工作面的地質(zhì)條件，建立380 m×170 m 的數(shù)值模型，設(shè)置煤層厚度為6 m，工作面兩側(cè)留設(shè)30 m 的保護(hù)煤柱，限制模型左右兩側(cè)X 方向的位移，固定模型底部，模型上部設(shè)置為自由條件，并施加覆巖自重的荷載。

在模型建立時(shí)，為記錄上覆巖層的位移數(shù)據(jù)，在各主關(guān)鍵層中軸線位置各設(shè)置一條測(cè)線，分別為A、B、C，并令m～q 剖面線分別過(guò)4 號(hào)、6 號(hào)、8 號(hào)、10 號(hào)、12 號(hào)測(cè)點(diǎn)。具體覆巖測(cè)線布置形式如圖1。

圖1 上覆巖層測(cè)線布置位置示意圖

（1）覆巖垮落及離層規(guī)律。為分析上覆巖層在工作面回采作用下的彎曲、離層和垮落現(xiàn)象，分別對(duì)工作面推進(jìn)30 m、60 m、90 m、135 m、150 m、195 m 時(shí)的覆巖垮落規(guī)律進(jìn)行出圖。工作面不同推進(jìn)距離下覆巖垮落規(guī)律如圖2。

圖2 工作面不同推進(jìn)距離下覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律圖

分析圖2 可知，當(dāng)工作面回采推進(jìn)30 m 時(shí)，直接頂巖層開(kāi)始垮落；當(dāng)工作面推進(jìn)60 m 時(shí)，基本頂巖層也已出現(xiàn)垮落，且與上覆巖層間形成離層，離層高度約為1 m，跨度為33 m；當(dāng)工作面推進(jìn)90 m，亞關(guān)鍵層位置出現(xiàn)離層現(xiàn)象，離層呈現(xiàn)為盆地形，離層高度約為2 m，跨度為55 m；隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，當(dāng)其推進(jìn)135 m 時(shí)，亞關(guān)鍵層位置處的離層進(jìn)一步擴(kuò)大，離層高度發(fā)展到2.5 m，跨度達(dá)到90 m，且在此時(shí)主關(guān)鍵層與其接觸的巖層間產(chǎn)生了層理；當(dāng)工作面回采推進(jìn)195 m 時(shí)，主關(guān)鍵層發(fā)生了破斷，且導(dǎo)致其所控制的巖層同步產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果可繪制出亞關(guān)鍵層離層跨度與工作面推進(jìn)距離間的曲線如圖3。

圖3 亞關(guān)鍵層離層跨度曲線圖

分析圖3 可知，亞關(guān)鍵層離層跨度隨著工作面回采作業(yè)，呈現(xiàn)出先逐漸增大后大幅下降的趨勢(shì)。在工作面推進(jìn)70～90 m 時(shí)，由于上位關(guān)鍵層的彎曲變化較小，下位巖層裂隙擴(kuò)展快，進(jìn)而出現(xiàn)離層跨度增長(zhǎng)較快的現(xiàn)象；在工作面推進(jìn)90～110 m 時(shí)，下位巖層緩慢下沉，且層面裂隙的擴(kuò)展不斷減少，進(jìn)而出現(xiàn)上位巖層明顯下沉的現(xiàn)象，導(dǎo)致離層跨度增長(zhǎng)幅度較慢；在工作面推進(jìn)110～140 m 時(shí)，由于主關(guān)鍵層開(kāi)始破斷，導(dǎo)致亞關(guān)鍵層的離層空間逐漸減小，隨著工作面回采作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行，主關(guān)鍵層逐漸破斷下沉，會(huì)使得亞關(guān)鍵層離層空間逐漸減小，直至被壓實(shí)。

（2）巖層下沉移動(dòng)規(guī)律。為分析各個(gè)關(guān)鍵層下沉移動(dòng)規(guī)律，通過(guò)對(duì)工作面回采期間巖層測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析，得出工作面回采期間各關(guān)鍵層巖層下沉規(guī)律曲線如圖4。

分析圖4 可知，各關(guān)鍵層隨工作面回采推進(jìn)巖層的垂直位移規(guī)律的變化趨勢(shì)為：慢速下沉、加速下沉、慢速下沉趨于穩(wěn)定。6 號(hào)測(cè)點(diǎn)處關(guān)鍵層，在工作面推進(jìn)30 m 時(shí)開(kāi)始位移；工作面推進(jìn)110 m 時(shí)，測(cè)點(diǎn)下沉速度開(kāi)始逐漸增大；工作面推進(jìn)150 m 時(shí)，巖層的下沉速度開(kāi)始逐漸降低；工作面推進(jìn)180 m后，各巖層基本不再出現(xiàn)位移，達(dá)到相對(duì)平衡的狀態(tài)。另一方面，從圖中可看出，各巖層測(cè)點(diǎn)開(kāi)始位移后，在同一垂直測(cè)線上，測(cè)點(diǎn)的加速位置會(huì)隨著巖層層位的增大而逐漸增大，下沉幅度隨著巖層的層位增大而減小。

圖4 各關(guān)鍵層測(cè)點(diǎn)下沉曲線圖

3 離層充填技術(shù)及效果

3.1 離層充填方案

為防止3116 工作面回采后上覆巖層出現(xiàn)大幅彎曲下沉后造成地表建筑物破壞，決定采用離層充填技術(shù)，即通過(guò)地表向工作面回采后上覆巖層離層空間注入充填材料，以控制巖層的彎曲程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制地面沉降量的效果。離層充填技術(shù)方案如下：

（1）鉆孔布置形式。根據(jù)3116 工作面的地質(zhì)條件及覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬結(jié)果，可知主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

根據(jù)離層注漿技術(shù)原理及關(guān)鍵層信息[1-2]，確定工作面覆巖離層注漿主要針對(duì)主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層。設(shè)置5 組注漿孔，其中3～6 組包括2 個(gè)注漿孔，一個(gè)為主注漿孔，另一個(gè)為輔助注漿孔，最后一組有一個(gè)注漿孔，編號(hào)為注7。注漿孔底與煤層間的距離為86 m，注漿終孔壓力為3.4～6 MPa[3-4]。具體注漿鉆孔布置形式如圖5。

（2）注漿系統(tǒng)及工藝。離層注漿過(guò)程主要為通過(guò)鏟車(chē)將粉煤灰運(yùn)輸至儲(chǔ)存罐內(nèi)，隨后與水?dāng)嚢杈鶆?，攪拌完成后繼續(xù)進(jìn)行二級(jí)攪拌，最后將漿體材料運(yùn)輸至需要注漿的位置處[5-6]。注漿系統(tǒng)主要包括5 個(gè)部分，分別為：粉煤灰儲(chǔ)送、一級(jí)攪拌、二級(jí)攪拌、管路運(yùn)輸和鉆孔充填。具體注漿充填系統(tǒng)如圖6。

表2 關(guān)鍵層及離層信息數(shù)據(jù)表

圖5 離層注漿孔布置形式示意圖

（3）注漿過(guò)程控制。在3116 工作面回采推進(jìn)150 m 時(shí)，注3（輔3）孔出現(xiàn)壓力釋放現(xiàn)象，開(kāi)始注3 孔的注漿作業(yè)；當(dāng)工作面推進(jìn)165 m 時(shí)，注4（輔4）孔下方出現(xiàn)離層空間，開(kāi)始注4（輔4）孔的注漿作業(yè)，此時(shí)注3（輔3）孔持續(xù)進(jìn)行注漿作業(yè)；當(dāng)工作面推進(jìn)167 m 時(shí)，注3（輔3）孔出現(xiàn)壓力升高現(xiàn)象，停止注漿作業(yè)，此時(shí)初始注漿與終止注漿位置相差17 m；當(dāng)工作面推進(jìn)180 m時(shí)，注5（輔5）孔下方出現(xiàn)離層現(xiàn)象，開(kāi)始注5（輔5）孔的注漿作業(yè)；在工作面推進(jìn)190 m 時(shí)，停止注4（輔4）孔的注漿作業(yè)；當(dāng)工作面推進(jìn)至注6（輔6）孔與注7 孔上方時(shí)，分別開(kāi)始注6（輔6）和注7 孔的注漿作業(yè)，至終孔壓力達(dá)到6 MPa 時(shí)即可停止注漿作業(yè)。

3.2 效果分析

為分析離層注漿控制地表沉陷效果，在3116 工作面地表區(qū)域建立移動(dòng)觀測(cè)站，觀測(cè)站設(shè)置在建筑物外墻位置處，在工作面回采期間持續(xù)進(jìn)行觀測(cè)作業(yè)。觀測(cè)結(jié)果顯示，工作面回采期間，圍墻外測(cè)點(diǎn)處的最大下沉量為30 mm，保護(hù)建筑物基本無(wú)下沉現(xiàn)象?；谏鲜龇治隹芍?，離層注漿充填方案有效控制了覆巖的彎曲下沉，保障了地面沉降量在合理范圍內(nèi)。

圖6 注漿充填系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)論

根據(jù)3116 工作面的地質(zhì)條件，通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行覆巖破斷規(guī)律及關(guān)鍵層下沉規(guī)律的分析，得出各關(guān)鍵層離層參數(shù)，結(jié)合離層充填注漿技術(shù)原理進(jìn)行離層注漿方案的設(shè)計(jì)，并在離層注漿方案實(shí)施后進(jìn)行地表沉降觀測(cè)。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果得出，離層注漿效果顯著，有效控制了地表沉降。