軟弱覆巖下煤柱開采注漿減沉技術(shù)及應用

陰靜慧 邢茂林 張 超

（1.中煤航測遙感集團有限公司，陜西 西安 710199；2.陜西省地理空間信息工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710199；3.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077；4.安徽神源煤化工有限公司鄒莊煤礦，安徽 淮北 235123）

淮北礦區(qū)村莊、城市、交通、水利等基礎(chǔ)設(shè)施下壓煤約21.4 億t，約占總儲量的54.8%[1]。覆巖注漿充填是利用地面鉆孔向關(guān)鍵層下方的開采裂隙注漿充填，通過“壓下托上”對關(guān)鍵層重新形成支撐，有效控制巖層和地表移動，保護含水層和建筑物，實現(xiàn)減損開采[2]。以淮北礦區(qū)鄒莊煤礦工廣煤柱下3105 工作面開采注漿減沉為背景，研究并提出了軟弱覆巖下注漿充填減沉的方法，為軟弱覆巖下煤柱開采的注漿減沉提供了方法和經(jīng)驗。

1 概況

3105工作面走向可采總長480 m，傾向?qū)?87 m，平均煤厚2.8 m，最大3.3 m，埋深639～704 m，綜采。工作面外段240 m 為工廣壓煤，埋深669～704 m（其中松散層平均260 m），儲量約17.93 萬t。壓煤區(qū)為宿舍樓、辦公樓、村莊等建筑物的保護區(qū)，工作面兩巷已形成，壓煤塊段的直接回采成本極低，在有效保護建筑物的前提下延長回采長度是亟待解決的關(guān)鍵問題。工作面壓煤區(qū)與地面建筑位置如圖1。

工作面煤層直接頂為粉細砂巖、泥巖，厚2.96～4.63 m，平均3.81 m；基本頂為粉細砂巖、泥巖，厚6.62～16.3 m，粉砂或泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。覆巖為砂泥巖型軟弱巖層，沒有明顯的關(guān)鍵層，在采動過程中彎曲下沉帶的沉降可能保持一致，因此注漿目的層選擇彎曲下沉帶上部。

從開采地質(zhì)條件分析，工作面采深大、基巖厚度大，盡管覆巖以泥巖為主，堅硬巖層占比偏少，但由于巖層厚度大、注漿充填段高，有較大的選擇空間，彌補了巖性偏弱的不足，增強了地層整體的可注性，具備注漿充填的條件。

2 注漿減沉方法

軟弱覆巖注漿減沉原理如圖2。針對軟弱覆巖注漿減沉，提出彎曲下沉帶高位注漿技術(shù)，即將彎曲下沉帶下部作為保護層，保護層上一定高度作為充填層。保護層厚度按照承受注漿壓力的10倍計算，充填層的高度取100 m 左右。

圖2 軟弱覆巖注漿減沉原理示意圖

設(shè)計5 個注漿鉆孔，1#孔位于充分采動區(qū)，距離壓煤區(qū)邊界50 m，2#～5#孔由壓煤區(qū)邊界至收作線布置，孔間距50 m。裂采比按12 計算導水裂隙帶高度約40 m。注漿壓力6.0 MPa，漿液比重1.5。根據(jù)煤層埋深，計算保護層厚度約140 m，注灰孔在距離煤層180 m 處終孔。鉆孔為三開結(jié)構(gòu)，一開套管隔離松散層，二開套管下至煤層上280 m 處，三開裸孔注灰段長100 m。鉆進過程中加強沖洗液漏失量監(jiān)測及測井、測斜工作，鉆孔斜率≤3%。

如出現(xiàn)斷層導水等特殊情況，應適當降低注漿壓力并進一步提高漿液濃度。選用Ⅱ級罐裝粉煤灰，注灰能力不小于1500 t。按注采比0.4、損耗率20%計算，工作面需注干灰量約8.6 萬t。

注漿過程中嚴格控制采煤與注漿充填速度的配合關(guān)系，保證充填量與注采比。注灰量與允許推進速度關(guān)系見表1。在注漿充填初期，應嚴格按照注灰量控制產(chǎn)量；在正常注漿充填階段，若日注灰達到1000 t以上，月產(chǎn)可達到6萬t左右。若粉煤灰、水、電供應不足時，必須降低推進速度直至暫停開采。

注灰工作歷時190 d，累計注入干灰8.9 萬t。注灰量、產(chǎn)量和動態(tài)注采比關(guān)系如圖3。注灰量根據(jù)工作面推進速度動態(tài)調(diào)整，開始注灰的第一個月為試注階段，少量注灰，注采比小于10%；第二個月至停采前一個月為動態(tài)充填階段，注灰量配合工作面推進速度，注采比由10%增加至50%；工作面停采前一個月為后方充填階段，對采空區(qū)后方2#、3#孔進行大量注灰填充，注采比150%～200%，使得覆巖得到充分支撐，保證減沉效果。

圖3 注灰量、產(chǎn)量和動態(tài)注采比關(guān)系圖

3 沉降監(jiān)測

沉降監(jiān)測點布置如圖4。工作面傾向A 線布設(shè)19 個監(jiān)測點，傾向B 線布設(shè)24 個監(jiān)測點，走向C線共布設(shè)35 個監(jiān)測點，工業(yè)廣場地面布設(shè)24 個監(jiān)測點，沿主要建筑物四圍邊界布置58 個監(jiān)測點。

圖4 沉降監(jiān)測點布置圖

監(jiān)測開始時間為注漿充填實施前1 個月內(nèi)，地表形變監(jiān)測頻率設(shè)置為10 d/次，監(jiān)測數(shù)據(jù)作為注漿充填效果評價的參照值。注漿充填期間，每7 d實施1 次地表高程測量。開采結(jié)束后繼續(xù)觀測，一月內(nèi)不大于10 mm 結(jié)束觀測。期間進行3～4 次水平位移監(jiān)測，以評估地表與建筑物的變形情況。

4 減沉效果評價

工作面傾向A、B 監(jiān)測線沉降歷時曲線如圖5。取工作面范圍內(nèi)代表性的監(jiān)測點和工廣附近的監(jiān)測點進行分析。A 線為壓煤充填區(qū)監(jiān)測線，B 線為充分采動區(qū)監(jiān)測線，對比分析沉降量變化。

圖5 傾向A、B 監(jiān)測線沉降歷時曲線

將注漿充填過程分為注前、試注、動態(tài)充填、后方充填和壓實排水五個階段。注前B 線受采動影響地表顯著下沉，A 線A13 監(jiān)測點也有明顯下沉，但下沉速率較B 線監(jiān)測點慢。試注階段注灰量小，A 線仍下降但有放緩趨勢，此階段對B 線基本無影響。動態(tài)充填階段A 線地表逐漸回升，抬升90 mm左右至+50 mm，后趨于穩(wěn)定，B 線也發(fā)生明顯抬升，抬升量與A 線相近但速率較慢。后方充填階段，由于工作面接近收尾，地表下沉加劇，需要大量充填確保起到支撐作用，使得抬升量基本穩(wěn)定在10～20 mm，此時由于在充分采動區(qū)和充填區(qū)已形成充填隔離區(qū)，B 線開始下沉。停止注灰后進入壓實排水階段，A 線工作面內(nèi)監(jiān)測點下沉速率明顯較B 線緩，沉降量在50 mm 以內(nèi)，工廣附近A2 點沉降逐漸恢復。在工作面回采范圍內(nèi)實現(xiàn)了減沉目的。

工作面走向C 監(jiān)測線沉降曲線如圖6，繪制了開始注灰、后方充填和停止充填三個節(jié)點的沉降曲線。在充分采動區(qū)發(fā)生明顯沉降，最大下沉250 mm；由充分采動區(qū)到壓煤充填區(qū)發(fā)生近乎垂直的抬升，說明注灰起到明顯的隔離作用；壓煤充填區(qū)注灰形成整體抬升，最大超過150 mm，局部的下沉發(fā)生在注灰鉆孔之間，但下沉量得到明顯控制。

圖6 走向C 監(jiān)測線沉降曲線

充填前地面主要建筑物均開始下沉，動態(tài)注灰期間產(chǎn)生明顯抬升，豎向位移抬升10～20 mm。工作面回采結(jié)束前的后方充填階段大量注灰，保證了停注后的壓實、排水階段位移小幅恢復，抬升量控制在0～10 mm 左右，建筑物得到有效保護。

5 結(jié)論

1）針對軟弱覆巖注漿減沉，提出了彎曲下沉帶高位注漿技術(shù)，將彎曲下沉帶分為保護層和充填層兩部分，分別給出了兩層高度的設(shè)計方法。

2）將注漿充填過程分為注前、試注、動態(tài)充填、后方充填和壓實排水五個階段。通過實踐確定了各階段注采比的取值范圍。

3）在3105 工作面，通過充填注漿在充分采動區(qū)和壓煤充填區(qū)之間形成有效的隔離帶，壓煤區(qū)工作面上方抬升約0～150 mm，保護區(qū)內(nèi)建筑物抬升控制在10 mm 左右，實現(xiàn)了建筑物下充填開采。