大社礦覆巖隔離注漿合理層位高度

趙 勇,申扎根

(冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司大社礦,河北 邯鄲 056000)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì),中國生產(chǎn)礦井中建筑物下壓煤約占“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)壓煤的2/3。由于部分礦區(qū)資源的逐漸枯竭,特別是對平原地區(qū)而言,土地資源日益緊張和征遷費(fèi)用不斷提高。因此,知道如何低成本回收建筑物下煤炭資源,對提高煤炭資源回采率、緩解礦井資源緊張局面具有重大意義。

覆巖隔離注漿充填技術(shù)是一種高效低成本的充填技術(shù),技術(shù)原理是設(shè)計(jì)合理的工作面采寬并留設(shè)一定寬度的隔離煤柱控制相鄰工作面均處于非充分采動(dòng)狀態(tài),通過地面鉆孔高壓注漿充填離層區(qū),最終形成“充填壓實(shí)區(qū)-隔離煤柱-關(guān)鍵層”承載結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)覆巖載荷,達(dá)到減小煤柱寬度,提高工作面煤層采出率,以及控制地表下沉量的目的。因此,覆巖隔離注漿充填技術(shù)優(yōu)勢明顯,技術(shù)應(yīng)用廣泛。

目前國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究:周為軍、王輝、李濤等[1-3]針對煤礦覆巖注漿技術(shù)展開現(xiàn)場應(yīng)用研究,從實(shí)施工藝到充填方案以及監(jiān)測效果等展開了詳細(xì)研究;周正兵、軒大洋等[4-5]采用覆巖隔離注漿充填技術(shù),通過理論分析、數(shù)值計(jì)算、仿真模擬等方法,確定隔離注漿的層位、注漿材料、漿液濃度等參數(shù);袁猛、王超超、張亮等[6-8]介紹了覆巖隔離注漿充填采煤方法的原理,分析了覆巖隔離注漿充填不遷移地表建筑物的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益分析;劉旺、許家林、秦小云、劉洋、王金紅等[9-13]對覆巖隔離注漿充填機(jī)理以及關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)開展深入研究,取得顯著效果。

上述研究主要集中在覆巖注漿充填機(jī)理、工藝流程、技術(shù)應(yīng)用等方面。但是針對注漿參數(shù)對地表沉陷控制效果的影響規(guī)律研究較少,主要研究注漿層位對地表沉陷控制效果的影響規(guī)律,利用3DEC數(shù)值模擬軟件為研究手段,開展不同覆巖注漿層位高度(220 m、240 m、260 m、280 m、300 m、320 m)條件下覆巖隔離注漿充填地表最大下沉量以及地表傾斜效果的研究,分析得出大社礦合理的覆巖注漿層位高度,進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場工作。

1 工作面概況

921102工作面位于三水平十一盤區(qū),北至921103工作面(設(shè)計(jì)),南至921101工作面,東至十一盤區(qū)軌道,西至東北翼軌道及回風(fēng)道。工作面開采2號煤層,煤層傾角3°～15°,平均8°。該煤層屬穩(wěn)定煤層,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。含有兩層次煤條帶,兩層夾矸,上層夾矸距頂0.3～0.5 m,厚0.05 m,下層夾矸距煤層底板1.5 m,厚0.1～0.2 m,累計(jì)厚度約5.8 m。

受斷層影響,工作面不規(guī)則,切眼側(cè)面寬50.8 m(含兩巷),停采線側(cè)面寬158 m(含兩巷),走向長473.8 m,可采儲量49.4萬t。工作面地面標(biāo)高+202.3～+216.2 m,工作面標(biāo)高-243～-320 m,埋深445～532 m,平均473 m,其中松散層厚35 m,基巖厚度410～497 m,平均438 m。工作面開采面臨的難題是地面大淑村壓煤開采。

2 覆巖隔離注漿工藝

覆巖隔離注漿充填不遷村采煤的工藝流程為:將電廠粉煤灰通過水泥罐車運(yùn)輸至地面一級注漿站,并存放于立罐中。立罐中的粉煤灰通過氣泵高壓輸送至一級注漿站的一級攪拌池進(jìn)行攪拌制漿,然后流入二級攪拌池進(jìn)行二級攪拌,最后通過泵房內(nèi)的注漿泵將二級攬拌池內(nèi)的漿體壓入輸送管路,然后進(jìn)入鉆孔進(jìn)行注漿充填。如圖1所示。

圖1 注漿充填系統(tǒng)示意Fig.1 Grouting filling system

3 不同注漿層位高度的模擬方案

以往研究人員為了安全考慮,注漿層位的選取原則是位于覆巖導(dǎo)水裂隙帶以上并且附加一定的安全距離。根據(jù)覆巖離層的動(dòng)態(tài)演化機(jī)理可知,離層的發(fā)育層位越高,破碎巖體碎脹效應(yīng)越明顯,離層開度相應(yīng)減小,導(dǎo)致注采比的減少,使減沉效果變差。注漿層位高度的降低可以增加注采比,但是對工作面的涌水威脅和鉆孔成本增加也同樣不可忽略。因此,固定開采工作面寬度W=160 m,工作面高度M=5.8 m。設(shè)計(jì)了6個(gè)注漿層位高度方案,注漿層位高度由220 m增加至320 m,增加梯度為20 m,具體方案見表1,注漿層位高度-覆巖垂直位移云圖如圖2所示。

表1 注漿層位高度方案Table 1 Scheme of grouting layer height

圖2 注漿層位高度-覆巖垂直位移云圖Fig.2 Grouting layer height-overburden rock vertical displacement nephogram

不同注漿層位高度的覆巖沉降云圖與粉煤灰分布形態(tài)如圖2所示。從采場的傾斜方向上的剖面看,離層內(nèi)充填的粉煤灰與離層的形狀類似,呈現(xiàn)上平下凸的“凸透鏡狀”;隨著注漿層位高度的升高,導(dǎo)致注采比的降低,地表沉降量與沉降影響范圍逐漸擴(kuò)大,而且粉煤灰充填體的厚度也逐漸減小。

不同注漿層位高度的地表沉降曲線如圖3所示。隨著注漿層位的降低,下沉量也在減小,當(dāng)注漿層位高度由320 m降低至220 m時(shí),地表最大下沉量由1047 mm降低至527.7 mm,地表下沉系數(shù)由0.19降低至0.09。

圖3 注漿層位高度-地表下沉曲線Fig.3 Grouting layer height-surface subsidence curve

由圖4和圖5可知,隨著注漿層位高度的升高,地表最大沉降量和地表傾斜變形值都隨之增大,而且呈指數(shù)關(guān)系,注漿層位高度與下沉量數(shù)值模擬擬合曲線為y=5.4×10-4e(x/45.8)-0.46;注漿層位高度與地表傾斜變形值數(shù)值模擬擬合的曲線為y=5.54×10-4e(x/36.45)+2.32。模擬結(jié)果表明,當(dāng)工作面寬度為160 m,注采比為46.2%,注漿層位高度小于268 m時(shí),地表傾斜變形能控制在3 mm/m以下,地表構(gòu)建筑物損壞范圍控制在I級內(nèi)。

圖4 注漿層位高度-最大沉降量曲線Fig.4 Grouting layer height-maximum settlement curve

圖5 注漿層位高度-地表傾斜變形曲線Fig.5 Grouting layer height-surface tilt deformation curve

4 工業(yè)性試驗(yàn)

921102工作面覆巖隔離注漿充填技術(shù),地面共設(shè)計(jì)6個(gè)注漿鉆孔,如圖6所示。由于受地面民房影響,除注3孔以外均需施工定向斜孔。注漿充填鉆孔皆采用三段成孔結(jié)構(gòu),1號孔、2號孔、3號孔一開用311 mm孔徑開孔,下245 mm套管,二開用216 mm孔徑鉆進(jìn),下178 mm套管,二開以下為110 mm裸孔注漿段;4號孔、5號孔、6號孔一開用216 mm孔徑開孔,下178 mm套管,二開用152 mm孔徑鉆進(jìn),下139 mm套管,二開以下為110 mm裸孔注漿段,注漿鉆孔結(jié)構(gòu)見表2。

表2 921102工作面注漿鉆孔結(jié)構(gòu)Table 2 Grouting borehole structure of 921102 working face

圖6 921102工作面鉆孔布置Fig.6 Borehole layout of 921102 working face

注漿材料:921102工作面為保證注漿充填沉陷控制效果及防止跑漿,需嚴(yán)格控制注漿漿體濃度≥75%。宜選擇罐裝粉煤灰作為灰源,滿足Ⅲ級灰質(zhì)要求。按照921102工作面儲量約46萬t,估算工作面需注灰量約15萬t。需指出,由于在大淑村煤柱內(nèi),921102工作面下伏的4號煤層(煤層間距32 m)共計(jì)5個(gè)工作面開采,包括941103、94609、94607、94118、94117。其中,941103工作面位于921102工作面正下方,為條帶工作面,采高1.3 m,采寬52.5 m,走向長度887 m,該條帶與921102工作面斜交,注灰量可能會(huì)有所加大。

注漿壓力控制:注漿前期以工作面回采位置與注漿鉆孔的相對位置關(guān)系控制注漿壓力,正常回采過程中,再根據(jù)工作面推進(jìn)和具體注漿量進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)孔口注漿終壓為4.1～4.6 MPa。

注漿濃度:應(yīng)減小注漿水含量以高濃度注漿為主,并盡快到達(dá)所需要的注采比要求,控制地表下沉量。為了防止?jié){體沿?cái)鄬訚⒊?注漿充填期間應(yīng)嚴(yán)格控制漿體濃度在75%以上,并保證注漿充填的連續(xù)性,禁止不必要的壓水。

注漿工藝流程:注漿設(shè)備的安裝與調(diào)試、相關(guān)大臨工程施工→沖洗注漿孔→注漿系統(tǒng)試運(yùn)轉(zhuǎn)并做耐壓試驗(yàn)→壓水試驗(yàn)→造漿壓注→觀測、記錄與情況分析→注后壓水(試驗(yàn))→拆洗注漿系統(tǒng)、透孔。以上為一個(gè)完整的注漿循環(huán),可視實(shí)際情況進(jìn)行多次。

地表觀測:工作面開采后預(yù)計(jì)大淑村村莊民房區(qū)產(chǎn)生的地表最大下沉值為1 025 mm;地表東西方向水平變形值為-3.9～+1.9 mm/m;地表南北方向水平變形值為-4.38～+1.98 mm/m;地表東西方向傾斜值為-5.3～+1.95 mm/m;地表南北方向傾斜值為-5.94～+4.96 mm/m;地表東西方向水平移動(dòng)值為-321～+225 mm;地表南北方向水平移動(dòng)值為-359～+411 mm。

5 結(jié)論

(1)分析覆巖離層注漿技術(shù)優(yōu)勢,建立覆巖離層注漿數(shù)值計(jì)算模型,模擬充填材料對覆巖關(guān)鍵層的支撐作用,分析注漿離層高度對地表減沉和地表傾斜的影響規(guī)律。

(2)隨著注漿層位高度的增大,能夠使地表最大沉降量和地表傾斜變形值增加,注漿層位高度與下沉量數(shù)值模擬擬合曲線為y=5.4×10-4e(x/45.8)-0.46;注漿層位高度與地表傾斜變形值呈指數(shù)關(guān)系,擬合方程為y=5.54×10-4e(x/36.45)+2.32。

(3)921102工作面采用覆巖隔離注漿充填技術(shù),實(shí)測地表最大下沉量與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致,具有一定參考價(jià)值。