陰?kù)o慧 邢茂林 張 超

（1.中煤航測(cè)遙感集團(tuán)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(tuán)）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(chǔ)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(kāi)采裂隙注漿充填，通過(guò)“壓下托上”對(duì)關(guān)鍵層重新形成支撐，有效控制巖層和地表移動(dòng)，保護(hù)含水層和建筑物，實(shí)現(xiàn)減損開(kāi)采[2]。以淮北礦區(qū)鄒莊煤礦工廣煤柱下3105 工作面開(kāi)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(kāi)采的注漿減沉提供了方法和經(jīng)驗(yàn)。

1 概況

3105工作面走向可采總長(zhǎng)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(chǔ)量約17.93 萬(wàn)t。壓煤區(qū)為宿舍樓、辦公樓、村莊等建筑物的保護(hù)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(hù)建筑物的前提下延長(zhǎng)回采長(zhǎng)度是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)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(xì)砂巖、泥巖，厚2.96～4.63 m，平均3.81 m；基本頂為粉細(xì)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(méi)有明顯的關(guān)鍵層，在采動(dòng)過(guò)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(kāi)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(jiān)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(bǔ)了巖性偏弱的不足，增強(qiáng)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(duì)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(hù)層，保護(hù)層上一定高度作為充填層。保護(hù)層厚度按照承受注漿壓力的10倍計(jì)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(jì)5 個(gè)注漿鉆孔，1#孔位于充分采動(dòng)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(jì)算導(dǎo)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(jì)算保護(hù)層厚度約140 m，注灰孔在距離煤層180 m 處終孔。鉆孔為三開(kāi)結(jié)構(gòu)，一開(kāi)套管隔離松散層，二開(kāi)套管下至煤層上280 m 處，三開(kāi)裸孔注灰段長(zhǎng)100 m。鉆進(jìn)過(guò)程中加強(qiáng)沖洗液漏失量監(jiān)測(cè)及測(cè)井、測(cè)斜工作，鉆孔斜率≤3%。

如出現(xiàn)斷層導(dǎo)水等特殊情況，應(yīng)適當(dāng)降低注漿壓力并進(jìn)一步提高漿液濃度。選用Ⅱ級(jí)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(jì)算，工作面需注干灰量約8.6 萬(wàn)t。

注漿過(guò)程中嚴(yán)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(jìn)速度關(guān)系見(jiàn)表1。在注漿充填初期，應(yīng)嚴(yán)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(dá)到1000 t以上，月產(chǎn)可達(dá)到6萬(wàn)t左右。若粉煤灰、水、電供應(yīng)不足時(shí)，必須降低推進(jìn)速度直至?xí)和ｉ_(kāi)采。

注灰工作歷時(shí)190 d，累計(jì)注入干灰8.9 萬(wàn)t。注灰量、產(chǎn)量和動(dòng)態(tài)注采比關(guān)系如圖3。注灰量根據(jù)工作面推進(jìn)速度動(dòng)態(tài)調(diào)整，開(kāi)始注灰的第一個(gè)月為試注階段，少量注灰，注采比小于10%；第二個(gè)月至停采前一個(gè)月為動(dòng)態(tài)充填階段，注灰量配合工作面推進(jìn)速度，注采比由10%增加至50%；工作面停采前一個(gè)月為后方充填階段，對(duì)采空區(qū)后方2#、3#孔進(jìn)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(dòng)態(tài)注采比關(guān)系圖

3 沉降監(jiān)測(cè)

沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4。工作面傾向A 線布設(shè)19 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，傾向B 線布設(shè)24 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，走向C線共布設(shè)35 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，工業(yè)廣場(chǎng)地面布設(shè)24 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沿主要建筑物四圍邊界布置58 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖4 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

監(jiān)測(cè)開(kāi)始時(shí)間為注漿充填實(shí)施前1 個(gè)月內(nèi)，地表形變監(jiān)測(cè)頻率設(shè)置為10 d/次，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為注漿充填效果評(píng)價(jià)的參照值。注漿充填期間，每7 d實(shí)施1 次地表高程測(cè)量。開(kāi)采結(jié)束后繼續(xù)觀測(cè)，一月內(nèi)不大于10 mm 結(jié)束觀測(cè)。期間進(jìn)行3～4 次水平位移監(jiān)測(cè)，以評(píng)估地表與建筑物的變形情況。

4 減沉效果評(píng)價(jià)

工作面傾向A、B 監(jiān)測(cè)線沉降歷時(shí)曲線如圖5。取工作面范圍內(nèi)代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)和工廣附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。A 線為壓煤充填區(qū)監(jiān)測(cè)線，B 線為充分采動(dòng)區(qū)監(jiān)測(cè)線，對(duì)比分析沉降量變化。

圖5 傾向A、B 監(jiān)測(cè)線沉降歷時(shí)曲線

將注漿充填過(guò)程分為注前、試注、動(dòng)態(tài)充填、后方充填和壓實(shí)排水五個(gè)階段。注前B 線受采動(dòng)影響地表顯著下沉，A 線A13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)也有明顯下沉，但下沉速率較B 線監(jiān)測(cè)點(diǎn)慢。試注階段注灰量小，A 線仍下降但有放緩趨勢(shì)，此階段對(duì)B 線基本無(wú)影響。動(dòng)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(shí)由于在充分采動(dòng)區(qū)和充填區(qū)已形成充填隔離區(qū)，B 線開(kāi)始下沉。停止注灰后進(jìn)入壓實(shí)排水階段，A 線工作面內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉速率明顯較B 線緩，沉降量在50 mm 以?xún)?nèi)，工廣附近A2 點(diǎn)沉降逐漸恢復(fù)。在工作面回采范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了減沉目的。

工作面走向C 監(jiān)測(cè)線沉降曲線如圖6，繪制了開(kāi)始注灰、后方充填和停止充填三個(gè)節(jié)點(diǎn)的沉降曲線。在充分采動(dòng)區(qū)發(fā)生明顯沉降，最大下沉250 mm；由充分采動(dòng)區(qū)到壓煤充填區(qū)發(fā)生近乎垂直的抬升，說(shuō)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(guò)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(cè)線沉降曲線

充填前地面主要建筑物均開(kāi)始下沉，動(dòng)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(shí)、排水階段位移小幅恢復(fù)，抬升量控制在0～10 mm 左右，建筑物得到有效保護(hù)。

5 結(jié)論

1）針對(duì)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(hù)層和充填層兩部分，分別給出了兩層高度的設(shè)計(jì)方法。

2）將注漿充填過(guò)程分為注前、試注、動(dòng)態(tài)充填、后方充填和壓實(shí)排水五個(gè)階段。通過(guò)實(shí)踐確定了各階段注采比的取值范圍。

3）在3105 工作面，通過(guò)充填注漿在充分采動(dòng)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(hù)區(qū)內(nèi)建筑物抬升控制在10 mm 左右，實(shí)現(xiàn)了建筑物下充填開(kāi)采。