關(guān)嶺山煤礦15201 工作面控制采空塌陷的可行性研究

郎小光

（山西陵川崇安關(guān)嶺山煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048313）

1 工程概況

1.1 概況

山西陵川崇安關(guān)嶺山煤礦15201 工作面開采15#煤層，埋深519～563 m，平均煤厚為5.99 m。15201工作面采用綜采放頂煤一次采全高開采工藝，采放比約為1:1，采用全部垮落法管理采空區(qū)，高抽巷與15201 工作面垂直距離為25～30 m。15201工作面“三下”壓覆資源區(qū)地表上方從北向南分布有物流市場、公交車站等建筑物，走向長度785 m。經(jīng)調(diào)研與測算，若不采取措施地面賠償費(fèi)用將高達(dá)1 億元[1]。

1.2 離層注漿充填技術(shù)分析

離層注漿充填技術(shù)是從地面布置鉆孔將充填料漿高壓注入巖層移動變形過程中覆巖內(nèi)形成的離層空間，從而對離層上覆巖層形成有效支撐作用來控制地表沉陷。相比于其他充填開采方式，其主要優(yōu)勢為不干擾井下正常生產(chǎn)，設(shè)備簡單易于操作，投資少，在控制地表沉陷的同時(shí)又為電廠粉煤灰找到地下存放場所，應(yīng)用靈活，對局部壓煤開采適用性強(qiáng)[2]。

2 工作面上覆地層巖性特征分析

在采礦影響區(qū)施工勘查孔（GK01 孔），孔深380.5 m。施工設(shè)備為XY-44 型鉆機(jī)，TBW250/40型泥漿泵，配備73.5 kW 的4135 型柴油機(jī)和A 字形13 m 鉆塔。

該孔鉆所遇地層深度為64.00 m 的第四系地層和深度380.50 m、厚度316.50 m 的二疊系上石盒子組（未揭穿）地層，地層巖性主要以砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和粗粒砂巖互層組成。上石盒子組地層為砂巖與泥巖互層，巖性差異較大，硬巖與軟巖層之間有利于形成離層空間，可開展離層注漿控制地表塌陷的施工。

鉆孔在鉆進(jìn)過程中未穿見斷層，局部巖層中原生裂隙較發(fā)育，主要表現(xiàn)為縱向高角度節(jié)理裂隙。裂隙的發(fā)育對離層注漿不利，易造成漿液漏失，注漿層位選擇中應(yīng)盡量避免該空間。簡易水文觀測結(jié)果顯示消耗量基本保持在0.01～0.18 m3/h，水位為0.00～17.87 m。煤田內(nèi)各泥巖層的隔水性能較好，上下層的水力聯(lián)系較弱，可有效防止離層注漿過程中漿液水的向下滲透。

3 注漿充填參數(shù)的確定

3.1 關(guān)鍵層層位判斷

采用關(guān)鍵層判別方法判別關(guān)鍵層的層位，計(jì)算得到各關(guān)鍵層信息及其對應(yīng)的工作面采寬，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 關(guān)鍵層詳細(xì)信息一覽表

單一關(guān)鍵層時(shí)，計(jì)算主關(guān)鍵層、亞關(guān)鍵層4、亞關(guān)鍵層3、亞關(guān)鍵層2、亞關(guān)鍵層1 極限垮距時(shí)對應(yīng)的工作面采寬分別為300 m、272 m、212 m、198 m、164 m。

隔離注漿充填開采的承載結(jié)構(gòu)模型可等效為條帶開采。等效的條帶采寬e和采寬a分別相當(dāng)于充填承載區(qū)寬度c（即壓實(shí)區(qū)寬度）和隔離煤柱寬度b，注采比為K（注漿空間與開采空間的比值），充填承載區(qū)寬度按照注采比確定，則充填承載區(qū)寬度為：c=K·a；等效條帶采寬e為：e=（a-c）/2。進(jìn)行等效之后，采寬a、隔離煤柱寬度b滿足下式：

式中：σp為有效隔離煤柱強(qiáng)度，MPa；γ為地層容重，N/m3；H為煤層埋深，m，θ為煤巖剪切角，取15°。σp按比涅烏斯基公式計(jì)算，見下式：

式中：σp為煤試件單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；D為煤試件尺寸，m；M為煤層采高，m；n為系數(shù)，煤柱寬高比大于5 時(shí)取1.4，反之取1.0。

煤層單軸抗壓強(qiáng)度取10 MPa，計(jì)算可得安全煤柱寬度應(yīng)不小于57 m。

3.2 兩帶高度確定

15#煤層基本頂以灰白色中厚層中?；蚣?xì)粒砂巖為主，平均厚度6.10 m，砂巖平均抗壓強(qiáng)度80.70 MPa，平均抗拉強(qiáng)度3.1 MPa，平均抗剪強(qiáng)度12.6 MPa，屬于中硬-堅(jiān)硬巖石。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算求得15#煤層開采的垮落帶高度為23.46 m，裂隙帶高度為74.09 m，兩帶影響的累計(jì)高度為97.55 m。

根據(jù)15201 工作面河下開采試驗(yàn)可知，裂縫帶高度采厚比約為19.96 倍，采厚取5.99 m，得出裂隙帶高度為119.56 m。

3.3 注漿層位確定

（1）注漿層位應(yīng)位于關(guān)鍵層下方離層區(qū)內(nèi)，故5 個關(guān)鍵層下離層均可作為備選層位。

（2）注漿層位需位于裂縫帶上部，且需要留設(shè)5 倍煤層采高左右的圍護(hù)帶厚度，即29.95 m。因此，15201 工作面覆巖離層注漿層位應(yīng)在距煤層頂板149.51 m 以上。

（3）以往經(jīng)驗(yàn)，一般情況下注漿層位應(yīng)超過0.3倍煤層埋深。參照GK01 孔附近煤層埋深，取529 m，則注漿層位埋深應(yīng)大于158.7 m 為宜。主關(guān)鍵層埋深為154.1 m，因此主關(guān)鍵層下不適宜作為注漿層位。

分析可知亞關(guān)鍵層1、2、3、4 均滿足注漿要求。同時(shí)考慮關(guān)鍵層巖性、厚度以及煤層距離，并結(jié)合離層注漿工程經(jīng)驗(yàn)，確定在注漿層位上方選定合適層位進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿，且補(bǔ)強(qiáng)注漿目標(biāo)關(guān)鍵層位下方應(yīng)存在較厚的低強(qiáng)度軟巖以便進(jìn)行射孔。為確保一次注漿量及注漿效果，應(yīng)在主注漿層位下方安全范圍內(nèi)選定合適層位作為次要注漿層位以作為保障。最終選擇亞關(guān)鍵層2 作為主要注漿層位，亞關(guān)鍵層1 作為次要注漿層位，亞關(guān)鍵層3 作為二次注漿補(bǔ)強(qiáng)層位。高抽巷距離15201 工作面垂直距離為25～30 m，位于15#煤層裂縫帶內(nèi)，注漿充填不會對高抽巷產(chǎn)生影響。

3.4 工作面寬度及煤柱寬度確定

主注漿層位亞關(guān)鍵層2 所對應(yīng)的工作面安全采寬應(yīng)不大于198 m，安全煤柱寬度應(yīng)不小于57 m?；陂_拓情況，工作面寬度與煤柱寬度之和應(yīng)為235 m，工作面寬度和煤柱寬度應(yīng)相應(yīng)按照同比例進(jìn)行縮小，縮小后的工作面寬度分別為170 m、180 m 和190 m，此時(shí)計(jì)算得到的煤柱最小寬度分別為54 m、55 m 和56 m，最終取工作面采寬為180 m、煤柱寬度為55 m，即可滿足當(dāng)前采場的尺寸要求。

3.5 注漿區(qū)域確定

根據(jù)計(jì)算確定工作面安全生產(chǎn)寬度為180 m，注漿區(qū)域推進(jìn)長度為785 m。

4 注漿充填控制沉陷效果模擬

采用UDEC 軟件進(jìn)行模擬分析，研究15201 工作面開采過程中覆巖的下沉垮落及離層注漿對地表下沉的控制效果。

15201 工作面基巖上覆約70 m 的風(fēng)砂土層。根據(jù)采煤工作面覆巖關(guān)鍵層理論，風(fēng)砂層為松軟巖層，與下伏基巖表面運(yùn)動一致，故模型只模擬了基巖段的變形運(yùn)動。模型的節(jié)理劃分方式為硬巖層按理論破斷步距設(shè)置斷裂節(jié)理以分析其斷裂引起的上覆巖層的下沉運(yùn)動，其他軟巖層只設(shè)水平層理，不設(shè)垂直各傾斜節(jié)理。

模型中巖體、節(jié)理變形破壞模型均為摩爾庫侖模型。數(shù)值模擬中將各煤巖層塊及裂隙面力學(xué)參數(shù)代入U(xiǎn)DEC 軟件進(jìn)行模擬分析，可得工作面注漿充填開采前后的覆巖下沉變形規(guī)律和地表沉陷變形特征數(shù)據(jù)。離層注漿充填前，煤柱應(yīng)力集中程度較高，說明上覆巖層重量主要由煤柱承載，隨著采場范圍的不斷擴(kuò)大，上覆巖層依次破斷，直至主關(guān)鍵層發(fā)生破斷，從而引起地表沉降。離層注漿充填后，在高壓漿體和覆巖的自重作用下，在工作面中部形成充填壓實(shí)區(qū)，且注漿充填后的煤柱應(yīng)力集中程度降低，在煤柱和充填壓實(shí)體的共同承載下，可保持主關(guān)鍵層不發(fā)生破斷，進(jìn)而有效控制地表下沉。

依次回采15201、15203 工作面后，15201 工作面上覆巖層離層區(qū)不進(jìn)行充填，模擬得到地表移動變形規(guī)律數(shù)據(jù)。依次回采15201、15203 工作面后，15201 工作面上覆巖層離層區(qū)進(jìn)行充填，模擬得到地表移動變形規(guī)律數(shù)據(jù)。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可得到離層區(qū)是否充填對地表移動變形的影響。通過覆巖離層注漿可使地表建筑物損壞程度達(dá)到《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓強(qiáng)開采視范》（2017 年版）中的Ⅲ級保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，從保護(hù)地表建筑物的角變看，開采15201 工作面時(shí)進(jìn)行覆巖離層注漿可對地表建筑物進(jìn)行有效保護(hù)。

5 結(jié)論

結(jié)合關(guān)嶺山煤礦地質(zhì)條件對離層注漿充填技術(shù)方案進(jìn)行了論證，確定了15201 充填工作面寬度為180 m，煤柱寬度為55 m。依據(jù)GK01 孔鉆探成果確定亞關(guān)鍵層2 可作為主要注漿層位，亞關(guān)鍵層1可作為次要注漿層位，亞關(guān)鍵層3 可作為二次注漿補(bǔ)強(qiáng)層位。注漿層位埋深為249.7～338 m，位于二疊系上石盒子組。數(shù)值模擬結(jié)果表明，實(shí)施覆巖離層注漿工程可有效減少地表下沉，使地表建筑物滿足保護(hù)需求，確保礦井安全高效開采，可釋放“三下”煤炭資源量約118 萬t。