常村煤礦2311工作面上覆巖離層注漿技術(shù)保護(hù)地表鐵路研究

苗 鑫

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 山西新村煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046300)

1 問(wèn)題的提出

常村煤礦是山西潞安環(huán)保能源開(kāi)發(fā)股份有限公司下屬的一座現(xiàn)代化礦井，位于山西省長(zhǎng)治市屯留縣城東北10 km(直距)處的麟絳鎮(zhèn)東藕宋莊—上村鎮(zhèn)張家莊——漁澤鎮(zhèn)南漁澤—路村鄉(xiāng)姬村—襄垣縣候堡鎮(zhèn)段河一帶，行政區(qū)劃歸屯留縣、襄垣縣管轄。

常村煤礦2311工作面在23采區(qū)西部，底板標(biāo)高+431～515.7 m，地面標(biāo)高+949.4～953.8 m，上覆地表有余吾鐵路運(yùn)銷(xiāo)專(zhuān)線，如對(duì)鐵路留設(shè)保護(hù)煤柱，將損失煤炭資源148萬(wàn)t。

余吾鐵路運(yùn)銷(xiāo)專(zhuān)線為余吾煤礦煤炭鐵路運(yùn)輸專(zhuān)線，每天運(yùn)力約2萬(wàn)t，若因采煤引起地表沉降導(dǎo)致鐵路破壞，將直接影響余吾煤礦煤炭鐵路運(yùn)輸。

常村煤礦為節(jié)約煤炭資源、延長(zhǎng)礦山服務(wù)年限，決定采用覆巖離層區(qū)注漿充填技術(shù)釋放上述壓覆的148萬(wàn)t煤炭資源，同時(shí)保護(hù)地表鐵路，實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采。

2 覆巖離層注漿減沉開(kāi)采技術(shù)簡(jiǎn)介

覆巖離層注漿減沉開(kāi)采技術(shù)是在對(duì)煤炭開(kāi)采形成的上覆巖層離層空間進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，將粉煤灰制成的漿液通過(guò)地表鉆孔注入地下離層空間，提前干預(yù)上覆巖層下沉，人為形成覆巖結(jié)構(gòu)，進(jìn)而控制地表塌陷。注漿充填系統(tǒng)主要由地面制漿站、注漿站、輸漿系統(tǒng)、注漿鉆孔等組成。注漿方案主要由注漿工藝、注漿站建設(shè)、制漿系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、閉漿措施等組成,見(jiàn)圖1。

圖1 覆巖離層注漿技術(shù)原理示意

3 地表沉降情況預(yù)測(cè)

3.1 研究目的

對(duì)常村礦2311工作面開(kāi)采時(shí)，預(yù)測(cè)采用覆巖離層注漿充填技術(shù)與不采用覆巖離層注漿充填技術(shù)兩種方案時(shí)地表的變形情況。

3.2 地表沉陷預(yù)測(cè)方法——地表變形預(yù)計(jì)采用的數(shù)學(xué)模型

1) 地表任意點(diǎn)A(x，y)的下沉值W(x，y)為：

Wcm=mqcosα

W(x,y)=WcmCxCy

式中：Wcm為充分采動(dòng)條件下地表最大下沉值；m為采出煤層厚度；q為地表下沉系數(shù)；α為煤層傾角；Cx、Cy待求點(diǎn)在走向和傾向主斷面上投影處的下沉分布系數(shù)；x、y為待求點(diǎn)坐標(biāo)[1]。

2) 地表任意點(diǎn)A(x,y)沿φ方向的傾斜變形值T(x,y)φ為：

T(x,y)φ=TxCycosφ+TyCxsinφ

T(x,y)φ-90= -TxCysinφ-TyCxcosφ

T(x,y)m=TxCycosφT+TyCxsinφT

式中：φT為最大傾斜值方向與OX軸的夾角(沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn))，φT=arcot[TyCx/(TxCy)] ；T(x,y)m為待求點(diǎn)的最大傾斜值，mm/m；；Tx、Ty分別為待求點(diǎn)沿走向和傾向主斷面上投影點(diǎn)處迭加后的傾斜變形值，mm/m[2]。

3) 地表任意點(diǎn)A(x,y)沿φ方向的曲率變形K(x,y)φ為：

K(x,y)φ=KxCycos2φ+KyCxsin2φ+(TxTy/Wcm) ·sin2φ

K(x,y)φ-90=KxCysin2φ+KyCxcos2φ+(TxTy/Wcm)·sin2φ

K(x,y)max=KxCycos2φ+KyCxsin2φ+(TxTy/Wcm)·sin2φk

式中：K(x,y)max為待求點(diǎn)最大曲率變形值；Kx、Ky分別為待求點(diǎn)沿走向和傾向在主斷面上投影點(diǎn)處迭加后的曲率值[3]。

4) 地表任意點(diǎn)A(x,y)沿φ方向的水平變形值ε(x,y)φ為：

ε(x,y)φ=εxCycos2φ+εyCxsin2φ+[(UxTy+UyTx)/Wcm]·sinφcosφ

ε(x,y)φ+90=εxCysin2φ+εyCxcos2φ-[(UxTy+UyTx)/Wcm]·sinφcosφ

ε(x,y)max=εxCycos2φε+εyCxsin2φε+[(UxTy+UyTx)Wcm]·sinφεcosφε

3.3 不采取覆巖離層注漿充填技術(shù)地表采動(dòng)沉陷預(yù)測(cè)

綜合分析已有巖移監(jiān)測(cè)資料，并參考周邊相似地質(zhì)采礦條件的煤礦的地表變形資料，取合理的參數(shù)采用概率積分法，對(duì)2311工作面減沉區(qū)域的地表變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 常村礦2311工作面不采取注漿充填技術(shù)時(shí)地表變形預(yù)測(cè)值

3.4 采取覆巖離層注漿充填技術(shù)地表采動(dòng)沉陷預(yù)測(cè)

分析2311工作面的注漿條件：地層軟硬互層結(jié)構(gòu)；關(guān)鍵層為堅(jiān)硬且剛度大的巖層，層位居下；注漿孔的密度合理;回采速度均勻適度。在此條件下離層注漿減沉?xí)〉幂^好的效果。同時(shí)，考慮粉煤灰充填體較好的壓縮特性，并參考國(guó)內(nèi)有關(guān)注漿減沉實(shí)例的減沉效果以及本區(qū)域的地質(zhì)條件和采礦條件，取減沉率為0.80進(jìn)行注漿減沉后地表的變形預(yù)測(cè)。采用概率積分法對(duì)注漿減沉后的地表變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 常村礦2311工作面減沉區(qū)域采取注漿時(shí)地表變形預(yù)測(cè)值

分析表1和表2的變形參數(shù)可知， 2311工作面采用覆巖離層漿充填技術(shù)后，地表變形量大幅下降，達(dá)到了地表減沉的目的。

4 受采動(dòng)影響鐵路地表變形及變形速度分析

4.1 礦用鐵路地表變形分析

1) 地表礦用鐵路變形分析。根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)值分析法，可計(jì)算出礦用鐵路在2311工作面開(kāi)采時(shí)，采取覆巖離層注漿充填技術(shù)和不采取注覆巖離層漿充填技術(shù)的情況下，礦用鐵路地表的變形情況，見(jiàn)表3。

表3 在采取和不采取覆巖離層注漿充填技術(shù)情況下礦用鐵路地表的變形

2) 鐵路等級(jí)分類(lèi)及其允許變形范圍。依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》的規(guī)定可知，2311工作面上方礦用自備鐵路屬于Ⅲ級(jí)鐵路，Ⅲ級(jí)鐵路的最大允許變形量見(jiàn)表4。

對(duì)比表3和表4可知，采取覆巖離層漿充填技術(shù)后，鐵路的地表變形量非常小，可滿(mǎn)足《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》規(guī)定的要求。

表4 Ⅲ級(jí)鐵路地表最大允許變形

4.2 受采動(dòng)影響后的鐵路地表變形速度分析

根據(jù)常村煤礦巖移規(guī)律，地表最大下沉速度可用以下公式計(jì)算：

式中：C為工作面推進(jìn)速度，m/d；Wmax為地表最大下沉值，mm；H0為平均開(kāi)采深度，m；K為下沉速度系數(shù)，取4.13。

經(jīng)計(jì)算可知，注漿與非注漿條件下地表的最大下沉速度值見(jiàn)表5。

表5 注漿與非注漿條件下地表的最大下沉速度值

由上述預(yù)計(jì)結(jié)果可知，正常開(kāi)采時(shí)地表最大下沉速度大，達(dá)75.8 mm/d，而《鐵路工務(wù)規(guī)則》規(guī)定線路一次起道或撥道超過(guò)100 mm，就需要進(jìn)行線路封鎖施工，因此正常開(kāi)采方案難以實(shí)現(xiàn)維修期間的不間斷行車(chē)。另外，鐵路的移動(dòng)變形量大，易造成線路坡度、鋼軌水平、軌縫的顯著變化，使之達(dá)到或超過(guò)線路的允許變形值，而且鐵路沉陷變形的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程非常迅速，難以及時(shí)有效地進(jìn)行調(diào)整和維修，給線路正常行車(chē)造成隱患。

與正常開(kāi)采相比，采用覆巖離層注漿減沉技術(shù)后，地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形值明顯減小，加之本區(qū)域采深較大，地表移動(dòng)變形是大范圍、連續(xù)和漸變的，在開(kāi)采過(guò)程中對(duì)線路可隨時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單維修，及時(shí)消除動(dòng)態(tài)變形影響，保證線路上的安全行車(chē)。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，常村煤礦2311工作面不采取上覆巖層離層區(qū)注漿技術(shù)，地表鐵路的變形量會(huì)非常大，且變形速度會(huì)非?？臁２扇∩细矌r層離層區(qū)注漿技術(shù)后，地表鐵路的變形量符合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，地表鐵路的變形速度小于《鐵路工務(wù)規(guī)則》的相關(guān)規(guī)定。因此，采用上覆巖層離層區(qū)注漿技術(shù)可保障地表鐵路線的正常安全運(yùn)營(yíng)，并為常村煤礦解放煤炭資源148萬(wàn)t。