沈傳波

（義煤集團(tuán) 新義礦業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471800）

0 引 言

井下煤炭被開(kāi)采出來(lái)后會(huì)形成采空區(qū)，受?chē)鷰r應(yīng)力和覆巖運(yùn)動(dòng)影響，采空區(qū)上覆巖層會(huì)發(fā)生破斷、下沉[1-2]，若不采取措施提前進(jìn)行治理，將會(huì)造成位于開(kāi)采范圍內(nèi)的地表出現(xiàn)地面塌陷、地表水和地下水潰入井下、土地資源遭到破壞、周邊生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問(wèn)題，給礦井井下安全開(kāi)采、礦區(qū)周邊居民生產(chǎn)生活和地面環(huán)境保護(hù)帶來(lái)極大影響，同時(shí)也造成極大地煤炭資源浪費(fèi)[3]。為提高工作面安全開(kāi)采穩(wěn)定性、保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和資源回收率，以新義煤礦為工程背景，研究提出離層注漿充填技術(shù)，通過(guò)人為方式對(duì)采空區(qū)上覆巖層運(yùn)動(dòng)進(jìn)行干預(yù)，減緩采空區(qū)地表下沉速度，為工作面安全開(kāi)采和地面環(huán)境保護(hù)提供保障。

1 概 況

新義煤礦井田位于新安煤田深部，淺部為新安礦，東部緊鄰義安礦，井田東西走向長(zhǎng)10.5 km，傾向?qū)?.79～4.52 km，面積約42.6 km2。礦井核定生產(chǎn)能力120萬(wàn)t/a，主采煤層為山西組二1煤，煤層厚度0～15.47 m，平均4.81 m，煤層傾角6°～14°，平均7°，采用傾斜長(zhǎng)壁式采煤法，全部跨落法管理采空區(qū)頂板。據(jù)地質(zhì)資料統(tǒng)計(jì)，新義煤礦一水平共有村莊10個(gè)、小學(xué)3個(gè)、大型工廠(chǎng)8個(gè)，居民合計(jì)約3 728戶(hù)；礦井井田開(kāi)采影響范圍內(nèi)的地面村莊、公路、隧道、河流、管道等建（構(gòu)）筑物下壓煤大約共計(jì)1.3億t。

2 覆巖離層注漿充填減沉開(kāi)采技術(shù)原理

離層注漿充填減沉開(kāi)采技術(shù)是依據(jù)關(guān)鍵層理論，采取一定措施實(shí)現(xiàn)控制工作面上覆巖層目標(biāo)關(guān)鍵層不發(fā)生破斷為目的[4-5]。其主要原理是：根據(jù)目標(biāo)關(guān)鍵層初次發(fā)生破斷的步距來(lái)合理設(shè)計(jì)工作面采寬，留設(shè)一定寬度的區(qū)段隔離煤柱，使煤柱具有一定的承載力，防止2個(gè)相鄰工作面覆巖離層區(qū)段發(fā)生貫通；然后從地面向覆巖離層區(qū)域進(jìn)行施工鉆孔，通過(guò)鉆孔對(duì)目標(biāo)離層區(qū)域注入漿液，形成充填體，利用漿液作用向上托舉離層的上部巖層，向下進(jìn)一步壓彎下覆巖層、壓實(shí)冒落帶，使其在工作面中部形成一定寬度的壓實(shí)支撐區(qū)，保持工作面開(kāi)采期間關(guān)鍵層的穩(wěn)定性，形成“關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)+注漿充填體支撐+煤柱承載”的復(fù)合支撐承載結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到控制礦井開(kāi)采影響區(qū)域范圍地表下沉、保證居民居住、道路交通運(yùn)輸安全穩(wěn)定的目的。覆巖離層注漿充填技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 覆巖離層注漿充填技術(shù)原理Fig.1 Principle of overburden separation grouting filling technology

3 覆巖離層注漿充填關(guān)鍵技術(shù)方案

工程實(shí)踐總結(jié)分析可知，覆巖離層注漿充填技術(shù)施工關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)為導(dǎo)水裂隙帶確定、注漿層位選擇、注漿時(shí)機(jī)把控和注漿壓力控制4個(gè)方面[6-7]。

3.1 導(dǎo)水裂隙帶高度確定

覆巖注漿充填層位應(yīng)位于工作面導(dǎo)水裂隙帶與主關(guān)鍵層之間的覆巖離層區(qū)域，為此，首先確定出工作面采空區(qū)上覆巖層垮落帶和裂隙帶的范圍[8]。

新義煤礦煤層開(kāi)采厚度為4.81 m，根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB12719-91）中導(dǎo)水裂隙帶公式計(jì)算工作面導(dǎo)水裂隙帶最大高度：

式中：Hi為導(dǎo)水裂隙帶最大高度，m；M為累計(jì)采厚，m。

在對(duì)工作面覆巖離層區(qū)進(jìn)行注漿施工時(shí)，為防止導(dǎo)水裂隙帶與覆巖離層區(qū)之間形成貫通通道導(dǎo)致注漿漿液發(fā)生滲漏，需留設(shè)5倍采高高度（24.05 m）作為離層區(qū)的維護(hù)帶，離層注漿的層位應(yīng)選擇在距離煤層上方94.85 m以上層位區(qū)域范圍內(nèi)。

此外，結(jié)合礦井綜合柱狀圖，注漿層位多存在多層不同巖性巖層組合，由于各層位巖層性質(zhì)均不相同，其剛度也不相同。在覆巖運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，下部剛度較大的巖層對(duì)其上部剛度較弱的巖層能夠起到支承作用，類(lèi)似于“板梁”的作用，在受到采動(dòng)影響情況下覆巖活動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生離層。

在鉆孔施工過(guò)程中，可根據(jù)鉆進(jìn)漿液漏失量判斷離層位置，漏失量較大則說(shuō)明該區(qū)域范圍存在離層。在鉆孔施工過(guò)程中或堵孔后二次透孔時(shí)通過(guò)鉆井液漏失量觀測(cè)，即可判斷出離層所在位置。

3.2 注漿層位選擇

根據(jù)上述離層注漿充填技術(shù)原理分析可知，實(shí)施覆巖離層注漿技術(shù)首先要判斷選擇出注漿層位（關(guān)鍵層）。以新義煤礦12030工作面地層結(jié)構(gòu)及鉆孔鉆探得到煤巖層綜合柱狀信息對(duì)注漿層位進(jìn)行判斷，得到信息數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 工作面煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Coal seam roof and floor conditions of working face

12030工作面傾斜寬度200 m，采高4.81 m，埋深385 m，確定亞關(guān)鍵層III為工作面注漿層位。

3.3 注漿時(shí)機(jī)把控

根據(jù)覆巖離層注漿經(jīng)驗(yàn)，一般在工作面回采位置推進(jìn)至距鉆孔孔底20 m時(shí)具備注漿條件。巖層堅(jiān)硬條件下，回采位置可能需要通過(guò)鉆孔后方出現(xiàn)離層，若水位變化不明顯，可在工作面距孔底20 m處定時(shí)進(jìn)行壓水，提高增透性。

12030工作面為孤島工作面，巖層完整性較差，鉆孔施工完畢后，在工作面距孔底50 m范圍內(nèi)對(duì)鉆孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，在工作面距孔底40 m處壓水試驗(yàn)壓力不再上升，并且有離層發(fā)育，但離層發(fā)育不充分，在工作面距孔底25 m處，具備注漿條件。

3.4 注漿鉆孔設(shè)計(jì)

（1）注漿層位。根據(jù)上述分析，該工作面注漿層位需布置在導(dǎo)水裂隙帶上部距煤層底板94.85 m以上區(qū)域，且需布置在亞關(guān)鍵層III以下的離層區(qū)域范圍。

（2）初始鉆孔位置。由于初始注漿位置處于工作面開(kāi)切眼一側(cè)，屬于半開(kāi)放式區(qū)域，因此設(shè)計(jì)第1排初始注漿鉆孔為封堵鉆孔，該鉆孔設(shè)計(jì)布置在工作面煤柱外側(cè)，根據(jù)類(lèi)似條件下工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，封堵鉆孔與過(guò)渡區(qū)域之間的距離設(shè)計(jì)為100 m，同時(shí)根據(jù)相關(guān)規(guī)定，要求過(guò)渡區(qū)域的寬度是關(guān)鍵層破斷距的2倍，取值50m。據(jù)此，該初始封堵鉆孔與煤柱間的距離應(yīng)為150 m，注漿鉆孔設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 工作面初始注漿鉆孔位置Fig.2 Initial grouting borehole location of working face

（3）注漿鉆孔布置。設(shè)計(jì)布置16個(gè)注漿鉆孔，鉆孔靶點(diǎn)處于亞關(guān)鍵層III下方；設(shè)計(jì)在被保護(hù)構(gòu)筑物附近布置3個(gè)檢查鉆孔，鉆孔靶點(diǎn)處于工作面煤層底板下方3 m位置，設(shè)計(jì)鉆孔孔深390 m，用于檢查鉆孔注漿效果。

3.5 注漿壓力控制

根據(jù)類(lèi)似條件下工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在對(duì)覆巖離層區(qū)域進(jìn)行注漿時(shí)，注入漿液的最大壓力應(yīng)大于覆巖重力，方能達(dá)到減沉效果。

根據(jù)離層帶判定，確定注漿層位距地表最大500 m，地層容重按2.5 t/m3，則覆巖最大重力12.5 MPa。注漿材料容重按1.4 t/m3，則注漿鉆孔終孔孔口壓力P=12.5-1.4×5=5.5 MPa。

在鉆孔具備注漿條件時(shí)，先采用2臺(tái)泵4檔壓水，總流量30 m3/h，壓水時(shí)間不低于6 h，壓水后孔口一直無(wú)壓力，則采用濃度30%左右的低濃度漿液進(jìn)行試注漿，注漿時(shí)間不少于24 h，若出現(xiàn)壓力上升速度較快且壓力超過(guò)1 MPa時(shí)，則說(shuō)明覆巖離層不發(fā)育，則需繼續(xù)壓水，促進(jìn)離層發(fā)育；在試注漿期間若孔口壓力1 MPa以下，則進(jìn)入正式注漿階段，及時(shí)將濃度由30%提高至60%，并根據(jù)注漿壓力逐步增加泵量，日注漿量與日產(chǎn)量注采匹配后，按照該注漿量進(jìn)行連續(xù)注漿；當(dāng)注漿壓力達(dá)到4 MPa以上時(shí)，說(shuō)明注漿已進(jìn)入后期階段，此時(shí)應(yīng)根據(jù)注漿壓力上升變化情況逐步進(jìn)行降檔、減泵；壓力達(dá)到5.5 MPa以上時(shí)，對(duì)鉆孔進(jìn)行壓水與注漿交替進(jìn)行，直至在壓水時(shí)壓力維持在5 MPa以上，說(shuō)明該孔覆蓋區(qū)域內(nèi)離層已注滿(mǎn)，達(dá)到停注條件。

4 應(yīng)用效果分析

為驗(yàn)證覆巖離層注漿技術(shù)應(yīng)用效果，在12030工作面采動(dòng)動(dòng)壓影響區(qū)域范圍以外地點(diǎn)布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)12030工作面開(kāi)采前后地表下沉變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集整理，得到結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 地表下沉變形情況Table 2 Surface subsidence deformation

根據(jù)觀測(cè)結(jié)果分析可知，通過(guò)對(duì)覆巖離層區(qū)域進(jìn)行注漿充填加固后，12030工作面開(kāi)采結(jié)束以后，地表沉降變形量較小。由此表明，覆巖離層注漿充填技術(shù)能夠起到減小地表下沉量的效果，地面建構(gòu)筑物均處于Ⅰ級(jí)破壞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)建構(gòu)筑物下壓煤安全回采，提高煤炭資源回收率，以較低開(kāi)采成本獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)覆巖離層注漿充填減沉開(kāi)采技術(shù)的技術(shù)原理、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用效果進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，在掌控好實(shí)施過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)條件下，實(shí)施該技術(shù)能夠起到減緩地表下沉，實(shí)現(xiàn)建構(gòu)筑物下壓煤安全回采，提高煤炭資源回收率的顯著效果，為新義礦業(yè)其他村莊下壓覆的采煤工作面安全回采提供了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，有著廣闊的推廣前景。