阳泉矿区铁路隧道下覆岩隔离注浆充填开采实践_李涛.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 阳泉矿区铁路隧道下覆岩隔离注浆 充填开采实践 李涛 （阳泉煤业 （集团） 有限责任公司 地质测量部， 山西 阳泉 045000） 摘要 为了解决阳泉矿区坪上煤矿铁路隧道及村庄压煤与该矿资源紧缺的矛盾， 采用覆岩隔 离注浆充填开采技术对其进行回采。以工作面钻孔柱状图为基础， 采用关键层判别软件确定了 研究工作面覆岩的关键层位及注浆深度； 设计了注浆钻孔的分布位置， 在铁路隧道内布设监测 线。结果表明， 采用覆岩隔离注浆充填技术能够将大幅度控制铁路隧道的沉降及变形， 确保了处 理后的铁路隧道简单维修后能够正常使用， 证明了覆岩隔离注浆充填开采方法控制铁路隧道形 变的可行性。 关键词 阳泉矿区； 铁路隧道； 覆岩隔离注浆充填； 开采实践 中图分类号 TD853．3文献标志码 B文章编号 1003－496X （2020） 02－0155-04 Mining Practice of Isolated Grouting and Filling Under Railway Tunnel in Yangquan Mining Area LI Tao （Department of Geology and Surveying, Yangquan Coal Industry（Group）Co., Ltd., Yangquan 045000, China） Abstract To solve the contradiction between railway tunnel and coal under village and the shortage of resources in Pingshang Coal Mine, Yangquan Mining Area, the overburden isolated grouting and filling mining technology is used to mine it． The key strata and grouting depth of the overburden of the working face were determined by using the key layer discriminant software based on the borehole histogram of the working face． The distribution positions of the grouting borehole are designed, and the monitoring lines are set up in the railway tunnel． The results show that the isolated grouting and filling technology used in this project can greatly control the settlement and deation of railway tunnel, and ensure that the treated railway tunnel can be used normally after simple maintenance． It is proved that it is feasible to control the deation of railway tunnel by the of separated grouting and filling of overburden rock． Key words Yangquan Mining Area; railway tunnel; overburden isolated grouting and filling; mining practice 建筑物、 水体、 铁路下压煤 （ “三下压煤” ） 一直以 来是制约煤矿资源开采的技术难题， 为了解决 “三下 压煤” 问题， 离层注浆开采作为控制地面沉降的减沉 技术之一， 在工程实践中发挥了积极的作用， 例如离 层注浆的机理研究[1-5]、 离层注浆开采地表下沉预计 方法研究[6-7]、 火成岩下注浆开采减灾研究[8-10]、 离层 注浆的开采试验[11-16]等方面。离层注浆开采具有不 干扰井下的正常开采，并达到地表减沉的优点。将 其用于铁路隧道减沉控制具有轨道维护与调整空间 有限、铁路隧道净空要求严格的 2 个难点及特点。 但由于目前各矿区地矿矛盾尖锐、 搬迁费用高， 无法 实现迁村开采，目前主要采用留设煤柱方案对受开 采影响的村庄进行保护，造成大量煤炭资源损失。 研究针对坪上煤矿铁路隧道压煤及资源紧缺的矛 盾， 并考虑经济效益， 采用覆岩隔离注浆开采技术进 行开采沉陷的地面减沉，形成覆岩隔离注浆的铁路 隧道采动变形控制一体化方法，保护铁路隧道的正 常运行及附属村庄的安全。 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．036 李涛．阳泉矿区铁路隧道下覆岩隔离注浆充填开采实践 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2 ） 155-158． LI Tao． Mining Practice of Isolated Grouting and Filling Under Railway Tunnel in Yangquan Mining Area ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 155-158． 移动扫码阅读 155 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 115104 工作面离层注浆孔分布与铁路隧道关系 Fig．1Relation between grouting hole distribution and railway tunnel in 15104 working face 表 115104 工作面技术适用性评价 Table 1Technical applicability uation of 15104 working face 1工程概况 坪上公司 15104 综放工作面走向长 1 060 m， 但外段铁路隧道及上庄村压覆，若不采用地面减沉 技术， 工作面回采总长仅 498 m， 将丢弃压煤 70 余 万 t， 对资源匮乏的坪上公司造成极大的损失。由于 工作面巷道主体已经形成，压煤段的回采成本相对 较低， 预期经济效益明显。15104 工作面开采 15煤 层， 煤厚 6．0 m， 倾角为 6．7， 埋深 287～292 m （平均 约 289 m） ，黄土层厚度 0．8 m。地表地形主要为山 体，在外段压煤中心区地形相对平坦。工作面采宽 里段 201 m， 外段 219 m， 采用综合机械化放顶煤开 采工艺。 工作面外段上方被运煤专线铁路隧道所压覆， 15104 工作面离层注浆孔分布与铁路隧道关系如图 1，运煤专线铁路受影响区域内存在铁路隧道 1 个 （北岭山隧道） ，洞口与 15104 工作面机巷的最小间 距为 69 m，向收作线方向隧道与机巷间距逐渐减 小。根据设计， 运煤专线由北往南的设计为上坡 （坡 度 3．2‰） ， 按照设计要求， 重车最大上坡为 6‰。若 15104 工作面（考虑 15101 工作面已采时累计采宽 374 m） 采用传统的综放开采方法， 预计地表累计最 大下沉达 6．0 m， 将对铁路隧道产生严重影响。 2综放工作面覆岩隔离注浆充填方案 2．1技术适用性分析与评价 从地质开采因素方面对 15104 工作面覆岩隔离 注浆充填技术适用性进行评价， 15104 工作面技术 适用性评价见表 1。 在地质开采因素方面， 其有利条件包括 ①基岩 厚度充足 （289 m） 、 具备典型关键层， 适宜于选择注 浆充填层位；②地表地形相对平坦，钻孔施工与注 浆充填站建设的难度相对于山地有所减小；③压煤 建 （构） 筑物均不位于工作面正上方， 为目标保护提 供了有利条件。 但是， 从采宽与采深的比值 （0．70～0．76）来看， 工作面采宽偏大； 同时， 工作面采厚达 6．0 m， 与前 期试验工作面采厚 （最大 5．0 m） 相比偏大。 2．2技术难点 1） 相邻采空区条件下注浆充填。相邻 15101 工 作面已经回采，且两工作面之间无隔离煤柱， 在 15104 开采期间存在叠加开采影响、 下沉速率快， 沉 陷控制的难度本身就很大， 注浆充填控制难度更大。 2） 一侧充分采动条件下注浆充填。由于 15104 工作面注浆充填区域为工作面外段 437 m，非注浆 充填区域采用垮落式开采将导致岩层破断、下沉， 并超前发育，会对注浆钻孔孔壁稳定性保护带来极 大技术困难， 有可能导致钻孔塌孔、 注浆充填量小。 3） 工作面采高大。由于工作面采用综放开采工 艺， 累计采厚将达 6 m， 且一次采出空间体积大， 将 导致地表沉陷量大、 岩层破断充分， 影响钻孔稳定性 与注浆充填控制关键层稳定性的难度。 2．3注浆充填钻孔 充分考虑到工作面覆岩条件、一侧垮落式充分 采动、 工作面日产高等地质开采因素， 结合地面地形 并经现场勘查， 确定了工作面钻孔布置方案， 如图 1。 关键层在采动覆岩中的作用， 上可影响至地表， 下可影响至采场和支架，内部影响到采动裂隙的分 布和流体的运移，因而它一定程度上可作为采场矿 压、 岩层移动及地表沉陷、 采动岩体内的流体运移研 究统一的基础。采场覆岩一般力学模型如图 2。 判别某一岩层是否为关键层，必须同时满足刚 指标指标值适用性 采深/m289■ 基岩厚度/m289■ 采宽/m201～219采宽偏大 采高/m6采高偏大 典型关键层有■ 地面地形相对平坦， 局部有起伏■ 156 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 2采场覆岩一般力学模型 Fig. 2General mechanical model of stope overburden 图 3隧道沉降监测曲线 Fig. 3Tunnel settlement monitoring curve 度 （变形） 判别条件 （式 1） 和强度判别条件 （式 2） n1 i 1 ΣEihi 3 n i 1 Σρighi＜ n1 i 1 ΣEihi 3 s i 1 Σρighi（1） l1＜ln1（2） 式中 n＜s； hi为第 i 岩层厚度； ρi为第 i 岩层平 均密度； Ei为第 i 岩层弹性模量； l1、 ln1为第 1、 第 n 1 层的破断距离。 采用中国矿业大学编制的关键层判别软件。输 入岩层厚度， 密度， 抗拉强度， 弹性模量， 岩性， 岩层 破断角，松散层载荷传递系数。根据关键层判别结 果，确定终孔注浆层位位于第三亚关键层下方。第 一亚关键层深度 284.4 m （距离煤层 9.3 m） ， 为 8.9 m 厚的细砂岩； 第二亚关键层深度 206 m （距离煤层 87.7 m） ， 为 8.6 m 厚的细砂岩； 第三亚关键层深度 138.8 m （距离煤层 154.9 m） ， 为 3.1 m 厚的中砂岩。 各注浆钻孔采用 3 开成孔 第 1、 第 2 开均下入 石油套管，第 3 开为裸孔至终孔。各钻孔深度平均 160 m。在现场地面标高变化、 揭露岩层厚度发生变 化、钻孔位置处煤层埋深变化或遇到断层等构造 时， 根据具体情况对孔深作出适当调整。 3注浆充填监控及实施效果 3.1注浆充填开采情况 自 2016 年 8 月 17 日回采至原定停采线开始， 截至 2017 年 9 月， 工作面已终采， 共采过原定停采 线 367.3 m，采出煤量 73.63 万 t。采面过隧道洞口 95.8 m， 与铁路平距 52.8 m。在注浆充填开采期间， 工作面日平均推进速度为 1.3 m/d， 月平均推进速度 为 40 m。 注浆充填自 2016 年 8 月 25 日开始， 截至 2017 月 9 月， 各个钻孔均已实施了注浆充填， 累计充填注 粉煤灰 18.42 万 t。 3.2沉陷控制效果 从工程实施实践来看，可注性及沉陷控制效果 要比预期要好。对隧道内布置 26 个测点约 230 m。 累计进行了 52 次地表沉陷观测， 对历次观测数据进 行了及时分析， 并同步调整了注浆充填参数， 保证了 地表沉陷控制效果。隧道沉降监测曲线如图 3。 根据观测结果， 隧道最大下沉 81 mm， 最大水平 移动 55 mm。隧道限界仍然满足要求，列车正常通 行， 达到了保护隧道的目的。 3.3经济效益分析 通过实施注浆充填，工作面共采出铁路隧道压 煤 73.63 万 t。 2016 年 8 月至 2017 年 9 月， 工作面采 出煤炭平均售价 400 元/t，销售收入总计 29 452 万 元。工作面注浆充填总费用合计 2 403.23 万元， 折 合吨煤 32.6 元。扣除注浆充填成本后， 新增收入为 27 048.77 万元。 由于采用了充填开采，符合国家财税 ［2014］ 72 号文中的“对充填开采置换出来的煤炭，资源税减 征 50” 规定。经坪上公司申请、 山西省煤炭厅、 税 务部门认定， 共计减免资源税 600 万元。根据上述 计算，铁路隧道下综放面覆岩隔离注浆充填开采试 验研究项目， 增收节支总额为 27 648.77 万元， 经济 效益显著。 4结论 1） 首次将覆岩离层注浆开采技术应用于铁路隧 道下采煤， 并获得了成功。采出煤量 70 余万 t， 延长 开采时间近 1 年， 有利于矿井接替， 同时将为坪上公 司乃至阳煤集团 “三下” 压煤开采提供新的思路与 方法。 2） 评估了 15104 工作面实施覆岩隔离注浆充填 开采的适用性。在地质开采因素方面，该区域实施 注浆充填的有利地质条件是①基岩厚度充足 （289 m） 、 具有关键层， 能够选择出合适注浆充填层位； ② 157 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 ［10］ 武强， 张志龙， 马积福．煤层底板突水评价的新型实 用方法 I 主控指标体系的建设 ［J］ ．煤炭学报， 2007， 32 （1） 42－47． ［11］ 武强， 张志龙， 张生元， 等．煤层底板突水评价的新型 实用方法脆弱性指数法 ［J］ ．煤炭学报， 2007， 32 （11） 1121－1126． ［12］ 武强， 解淑寒， 裴振江， 等．煤层底板突水评价的新型 实用方法基于 GIS 的 ANN 型脆弱性指数法应用 ［J］ ． 煤炭学报， 2007， 32 （12 ） 1301－1306． ［13］ 武强， 王金华， 刘东海， 等．煤层底板突水评价的新型 实用方法基于 GIS 的 AHP 型脆弱性指数法应用 ［J］ ．煤炭学报， 2009， 34 （2） 233－238． ［14］ 卜昌森．煤矿水害探查防治实用技术应用与展望 ［J］ ． 中国煤炭， 2014， 40 （7） 100－108． 作者简介 吴杰 （1976） ， 男， 陕西凤翔人， 高级工程 师， 1998 年毕业于西安矿业学院，现任韩城矿业公司总工 程师， 现从事煤矿生产技术与管理工作。 （收稿日期 2019-09-12； 责任编辑 陈 洋） （上接第 154 页） 压煤区地表地形相对平坦，钻孔施工与注浆充填站 建设的难度较之山区相对偏小；③铁路与村庄不在 工作面正上方， 为其保护提供了有利条件。 3） 本项目的重点正是集中于北岭山隧道采动损 害防护，保证隧道限界满足通行要求，隧道衬砌不 出现影响行车的破坏或塌落。确定了隧道原始限界 及其富裕量。 参考文献 ［1］ 许家林．岩层移动与控制的关键层理论及其应用 ［J］ ． 岩石力学与工程学报， 2000， 19 （1） 28． ［2］ 章伟， 郑进凤， 于广明， 等．覆岩离层形成的力学判据 研究 ［J］ ．岩土力学， 2006， 27 （1） 275－278． ［3］ 许修敏．注浆充填作用机理下地表移动变形规律研究 ［D］ ．淮南 安徽理工大学， 2015． ［4］ 刘金海， 冯涛， 万文．煤矿离层注浆减沉效果评价的弹 性薄板法 ［J］ ．工程力学， 2009， 26 （11） 252－256． ［5］ 刘金海．条带开采条件下的覆岩离层注浆减沉技术体 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