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 長治 046000)
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),西部為實體煤。工作面開采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層特征見表1。工作面傾斜長度200 m,走向長度1072 m,采用綜合機械化放頂煤開采方法,開采高度為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)行覆巖運動規(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
為分析3116 工作面回采作業(yè)時上覆巖層的運動規(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,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)置一條測線,分別為A、B、C,并令m~q 剖面線分別過4 號、6 號、8 號、10 號、12 號測點。具體覆巖測線布置形式如圖1。
圖1 上覆巖層測線布置位置示意圖
(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,分別對工作面推進(jìn)30 m、60 m、90 m、135 m、150 m、195 m 時的覆巖垮落規(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)距離下覆巖運動規(guī)律圖
分析圖2 可知,當(dāng)工作面回采推進(jìn)30 m 時,直接頂巖層開始垮落;當(dāng)工作面推進(jìn)60 m 時,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,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,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。在工作面推進(jìn)70~90 m 時,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)離層跨度增長較快的現(xiàn)象;在工作面推進(jìn)90~110 m 時,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)致離層跨度增長幅度較慢;在工作面推進(jìn)110~140 m 時,由于主關(guān)鍵層開始破斷,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,會使得亞關(guān)鍵層離層空間逐漸減小,直至被壓實。
(2)巖層下沉移動規(guī)律。為分析各個關(guān)鍵層下沉移動規(guī)律,通過對工作面回采期間巖層測點的運動情況進(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)律的變化趨勢為:慢速下沉、加速下沉、慢速下沉趨于穩(wěn)定。6 號測點處關(guān)鍵層,在工作面推進(jìn)30 m 時開始位移;工作面推進(jìn)110 m 時,測點下沉速度開始逐漸增大;工作面推進(jìn)150 m 時,巖層的下沉速度開始逐漸降低;工作面推進(jìn)180 m后,各巖層基本不再出現(xiàn)位移,達(dá)到相對平衡的狀態(tài)。另一方面,從圖中可看出,各巖層測點開始位移后,在同一垂直測線上,測點的加速位置會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)鍵層測點下沉曲線圖
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)條件及覆巖運動規(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 個注漿孔,一個為主注漿孔,另一個為輔助注漿孔,最后一組有一個注漿孔,編號為注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。離層注漿過程主要為通過鏟車將粉煤灰運輸至儲存罐內(nèi),隨后與水?dāng)嚢杈鶆?,攪拌完成后繼續(xù)進(jìn)行二級攪拌,最后將漿體材料運輸至需要注漿的位置處[5-6]。注漿系統(tǒng)主要包括5 個部分,分別為:粉煤灰儲送、一級攪拌、二級攪拌、管路運輸和鉆孔充填。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)注漿過程控制。在3116 工作面回采推進(jìn)150 m 時,注3(輔3)孔出現(xiàn)壓力釋放現(xiàn)象,開始注3 孔的注漿作業(yè);當(dāng)工作面推進(jìn)165 m 時,注4(輔4)孔下方出現(xiàn)離層空間,開始注4(輔4)孔的注漿作業(yè),此時注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,注3(輔3)孔出現(xiàn)壓力升高現(xiàn)象,停止注漿作業(yè),此時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,注5(輔5)孔下方出現(xiàn)離層現(xiàn)象,開始注5(輔5)孔的注漿作業(yè);在工作面推進(jìn)190 m 時,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,分別開始注6(輔6)和注7 孔的注漿作業(yè),至終孔壓力達(dá)到6 MPa 時即可停止注漿作業(yè)。
為分析離層注漿控制地表沉陷效果,在3116 工作面地表區(qū)域建立移動觀測站,觀測站設(shè)置在建筑物外墻位置處,在工作面回采期間持續(xù)進(jìn)行觀測作業(yè)。觀測結(jié)果顯示,工作面回采期間,圍墻外測點處的最大下沉量為30 mm,保護(hù)建筑物基本無下沉現(xiàn)象?;谏鲜龇治隹芍x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
根據(jù)3116 工作面的地質(zhì)條件,通過數(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,并在離層注漿方案實施后進(jìn)行地表沉降觀測。根據(jù)觀測結(jié)果得出,離層注漿效果顯著,有效控制了地表沉降。