采动覆岩离层区注浆控制地面沉陷技术研究及应用.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０４􀆽 １３ 作者简介吕 毅１９８７ － ꎬ男ꎬ山西吕梁人ꎬ工程师ꎬ从事生产技术工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０８. ０１０ 采动覆岩离层区注浆控制地面沉陷技术研究及应用 吕 毅 潞安集团慈林山煤业公司 夏店煤矿ꎬ山西 长治 ０４６２００ 摘 要煤炭开采所造成地表沉陷对人类的生存环境产生了一系列的消极影响ꎬ直接关系到矿区经济、社 会和生态环境的可持续发展ꎮ 我国生产矿井“三下”压煤约１４０ 亿 ｔꎬ传统的“三下”开采技术存在初期投资 大、充填成本高、采充作业相互干扰、工效低等问题ꎬ如何合理解决“三下”压煤开采问题一直是困扰煤矿企 业的重要课题之一ꎮ 夏店煤矿为解放矿井压煤资源ꎬ消除煤炭开采对建筑物、村庄的影响ꎬ提出采动覆岩 离层区注浆充填新技术ꎬ并在 ３１１７ 工作面进行应用ꎬ成功释放压煤 ３７. ５ 万 ｔꎬ取得了巨大的经济和社会效 益ꎬ为煤炭企业“三下”压煤的安全高效开采和矿山环境可持续发展指出一条新路ꎬ具有良好的推广应用前 景ꎮ 关键词“三下”压煤ꎻ地表沉陷ꎻ覆岩离层区注浆 中图分类号ＴＤ３２７ꎻＴＤ２６５. ４ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００８􀆽 ００２８􀆽 ０４ 煤炭开采所造成地表沉陷对人类的生存环境产 生一系列的消极影响ꎮ 沉陷区的生态恢复直接关系 到矿区经济、社会和生态环境的可持续发展ꎬ是我国 矿区所面临的一个亟待解决的难题ꎮ 我国生产矿井 “三下”压煤约 １４０ 亿 ｔꎬ“三下”压煤开采问题一直 是困扰我国煤矿的重大技术难题ꎮ 山西属于煤炭大 省ꎬ但由于开采时间较长ꎬ大量煤矿逐渐进入资源枯 竭期ꎬ与此同时ꎬ村庄、建构筑物、铁路下压覆了 大量煤炭资源ꎬ矿区迁村、搬迁难度大ꎬ费用高ꎬ地矿 关系复杂ꎬ且传统的“三下”开采技术存在初期投资 大、充填成本高、采充作业相互干扰、工效低等问题ꎮ 如何合理解决“三下”压煤开采问题一直是困扰煤 矿企业的重要课题之一ꎬ研究建构筑物下低成 本、高效能、可持续的新型采煤技术必要而紧迫ꎮ 夏店煤矿位于山西省襄垣县境内ꎬ隶属于潞安 集团慈林山煤业有限公司ꎬ井田内村庄及建筑物压 煤较多ꎬ为解放“三下”压煤ꎬ消除开采对村庄、建筑 物的影响ꎬ经过大量“三下”开采调研ꎬ夏店煤矿与 中国矿业大学、中国煤炭地质总局合作ꎬ提出新型采 动覆岩离层区注浆充填技术ꎬ并在 ３１１７ 综放工作面 进行了工程实践ꎬ解决了夏店煤矿村庄及建筑物下 压煤的开采问题ꎮ １ 采动覆岩离层区注浆技术原理 １. １ 基于岩层移动与控制的关键层理论 关键层理论认为ꎬ对其上部岩层起控制作 用的岩层称为亚关键层ꎬ对其上直至地表全部 岩层起控制作用的岩层称为主关键层ꎬ采动覆 岩离层主要出现在各关键层下面ꎬ且离层的最 大发育高度止于主关键层下方ꎮ 地表塌陷是因 为随着工作面推进ꎬ关键层下方的离层量不断 增大ꎬ当亚关键层发生初次破断后ꎬ离层空间将 会向上传递至上一层亚关键层下方ꎬ直至主关 键层发生破断ꎬ离层空间将传递到地表形成地 表塌陷 [１] ꎬ见图 １ꎮ 图 １ 主关键层破断后地表沉陷示意 １. ２ 采动覆岩离层区注浆技术原理 采动覆岩离层区注浆充填技术是依据关键 层理论ꎬ通过覆岩离层区注浆ꎬ提前干预覆岩的 活动状态ꎬ人为形成覆岩结构与充填压实承载 区ꎬ进而控制地面沉陷过程ꎬ实现采空塌陷的有 效控制ꎮ 具体为在地面施工钻孔至目标层位ꎬ 使用压力泵将粉煤灰浆液通过注浆管注入覆岩 离层区域ꎬ浆液沉淀后形成饱和压实体ꎬ从而对 上部关键层起到支撑作用ꎬ形成“ 离层区充填体 ＋ 煤柱 ＋ 关键层”的承载体ꎬ保证上覆岩层及地 面不发生破坏与变形 [１ － ２] ꎬ见图 ２ꎮ ８２ 实实用用技技术术 总第 ２５２ 期 图 ２ 离层区注浆后主关键层及地表状态示意 １. ３ 技术创新点 １ 依据关键层理论ꎬ在关键层下部离层空间 内注入高压充填浆体ꎬ浆体经脱水压实后的充填体 对上覆岩层起到支撑作用ꎬ从而减缓或消除岩层移 动向地表的传播ꎬ为“三下”压煤开采提供了一条新 的技术途径ꎮ ２ 系统简单独立ꎬ通过在地面打钻进行注 浆ꎬ避免了井下传统充填和工作面回采相互交叉作 业所带来的不安全因素ꎮ ３ 采用定向钻井技术ꎬ准确找到地下注浆层 位靶域ꎬ实现远距离定向注浆ꎬ解决了因地表条件限 制无法垂直钻进的问题ꎮ ４ 实现了连续开采ꎬ解决了传统注浆充填工 作面回采时需等待注浆料初凝的难题ꎮ ５ 首次提出了在原有注浆孔上部层位选择 关键层ꎬ实施单孔多级注浆ꎬ增强注浆效果的方法 二次补强ꎮ ６ 注浆浆体采用粉煤灰与水的混合物ꎬ注浆 材料成本低ꎬ同时做到了废物利用ꎬ为实现绿色开采 提供了新的思路ꎮ ２ 现场应用 ３１１７ 综放工作面为新型采动覆岩离层区注浆 技术试验工作面ꎬ工作面采用走向长壁后退式低位 放顶煤、全部垮落法的综合机械化采煤方法ꎬ采宽 １８７ ｍꎬ工作面正上方地面瓦斯泵站压煤约 ２３４ ｍꎬ 现对 ３１１７ 工作面进行覆岩离层区注浆充填设计ꎮ ２. １ 关键层的判断及破断距 从技术原理可知ꎬ该技术的第一步应进行关键 层的判断和选取ꎬ参照 ３１１７ 工作面附近 ＪＪ －１ 钻孔 柱状图ꎬ根据地层岩性、厚度、 岩石力学参数ꎬ依据 关键层判别方法判断关键层的层位ꎬ同时采用固支 梁、板理论ꎬ计算了关键层破断距[２]ꎬ见表 １ꎮ 表 １ 关键层详细信息及破断距 序号类型岩性 厚度 / ｍ 埋深 / ｍ 距煤层 距离/ ｍ 梁破断 距/ ｍ 板破断 距/ ｍ １主关键层粉砂岩 １１. ４３ ２５２.０１ １８２.６５５８. ４６５. ７ ２亚关键层 １ 粉砂岩９.８５ ２６９.７７ １６４.８９５５. ６６２ ３亚关键层 ２ 粉砂岩６.８４ ３３８.３１９６.３５５２. ３５７. ７ ４亚关键层 ３ 细砂岩 １５. ８８ ３７０.４３６４.１３５０. ４５５. ８ ５亚关键层 ４ 细砂岩４.３８ ３８５.０８４９.５８３５. ３３８. ４ ２. ２ 注浆层位的选择 采动覆岩离层区注浆的层位应在关键层以下的 离层区内ꎬ在导水裂隙带之上ꎬ因此需先确定采空区 上覆岩层两带范围ꎬ根据实测法计算垮落带与裂隙 带高度ꎮ 采空区垮落带高度Ｈ垮＝ ２ ３Ｍ ＝ ２ ３ ６. ２ ＝１２. ４ １８. ６ ｍＭ 为煤层采高ꎬ取 ６. ２ ｍꎮ 采空区导水裂隙带高度Ｈ裂＝ ｋＭ ＝ ２２ ６. ２ ＝ １３６. ４ ｍｋ 为裂采比ꎬ根据实测结果取 ２２ꎮ 根据计算ꎬ取导水裂隙带高度 １３６. ４ ｍꎮ 注浆 时为了防止离层区与导水裂隙带之间贯通ꎬ需要留 设 ５ 倍煤层采高左右的围护带厚度５ ６. ２ ＝ ３１ ｍꎬ则离层注浆的层位应在距煤层 １６７. ４ ｍ 以 上ꎮ 根据上述分析注浆层位应在主关键层下方离层 区内ꎬ即距煤层距离为 １８２. ６５ ｍꎮ ２. ３ 注浆工作面参数选择 １ 根据关键层破断距与覆岩破断角确定关 键层极限跨距时对应的注浆充填工作面采宽ꎬ其对 应采宽见表 ２ꎮ 表 ２ 关键层极限跨距对应工作面采宽按梁计算 序号类型岩性厚度/ ｍ埋深/ ｍ距煤层距离/ ｍ破断距/ ｍ关键层极限跨距对应采宽/ ｍ １主关键层粉砂岩１１.４３２５２.０１１８２.６５５８.４１９１. ３ ２亚关键层 １粉砂岩９.８５２６９.７７１６４.８９５５.６１７５. ７ ３亚关键层 ２粉砂岩６.８４３３８.３１９６.３５５２.３１２２. ４ ４亚关键层 ３细砂岩１５.８８３７０.４３６４.１３５０.４９７.１ ５亚关键层 ４细砂岩４.３８３８５.０８４９.５８３５.３７１.４ 根据表 ２ 中主关键层极限垮距对应的工作面采 宽ꎬ可知注浆工作面采宽应小于 １９１. ３ ｍꎮ ３１１７ 工 作面原始采宽为 １８７ ｍꎬ满足要求ꎮ ２ 隔离煤柱不仅能支撑煤柱上覆岩层重量 及两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的部分重量ꎬ 还可防止煤柱上方关键层上下区段离层区贯通ꎮ 按 ９２ ２０２０ 年 ８ 月 吕 毅采动覆岩离层区注浆控制地面沉陷技术研究及应用 第 ２９ 卷第 ８ 期 极限强度理论与岩层移动理论计算后ꎬ取二者中较 大值ꎮ 按极限强度理论计算 隔离煤柱宽度 ｂ ≥ ５１. １ ｍꎮ 按岩层移动计算 隔离煤柱宽度 ｂ≥５９. ３５ ｍꎮ 取两者大值ꎬ确定注浆充填试验区隔离煤柱 ５９. ４ ｍꎮ ３１１７ 工作面两侧为实煤体ꎬ满足要求ꎮ ２. ４ 注浆钻孔布置 注浆钻孔的布置是根据关键层极限跨距和浆液 扩散半径ꎬ并结合工作面采宽、现场条件等因素来确 定的ꎬ３１１７ 工作面共设计钻孔 ７ 个ꎬ其中定向钻孔 ５ 个ꎬ直孔两个ꎬ钻孔均需按要求打钻至主关键层下 方位置ꎬ钻孔布置见图 ３ꎬ各钻孔参数见表 ３ꎮ 图 ３ ３１１７ 工作面注浆钻孔布置 表 ３ 钻孔参数 钻孔名称钻孔类型钻孔性质孔深/ ｍ垂深/ ｍ成孔时间 注 ６ －１ 孔直孔取芯观察孔２５８２５８２０１８ －４ －１８ 注 ３ 孔定向孔隔离注浆孔３７６２６７.４２０１８ －４ －１８ 注 ４ 孔定向孔隔离注浆孔３６６２６７.４７２０１８ －６ －２８ 注 ５ －１ 孔定向孔主注浆孔３０１.０４２６７.５８２０１８ －７ －２７ 注 ５ 孔定向孔主注浆孔２８４.３３２６６.０６２０１８ －９ －２６ 注 ６ 孔直孔主注浆孔２５８２５８２０１９ －３ －２０ 注 ７ 孔定向孔主注浆孔２６２２５８.９９２０１９ －５ －１３ ２. ５ 钻孔注浆 地面注浆站于 ２０１８ 年 ８ 月 ２５ 日完成土建及安 装调试工作ꎬ具备注浆条件ꎬ２０１８ 年 １０ 月 １５ 日开 始正式注浆ꎮ 截至 ２０１９ 年 １２ 月 ３０ 日ꎬ所有钻孔均 已完成注浆任务ꎬ累计注浆量 ３５. ６ 万 ｍ３ꎬ注灰量 ２６. １ 万 ｔꎬ各钻孔注浆效果示意见图 ４ꎮ 图 ４ ３１１７ 工作面各钻孔注浆效果示意 ３ 地表沉降观测 ３１１７ 工作面于 ２０１８ 年 １１ 月 １８ 日 进 入 充填开采区域ꎬ２０１９ 年 ６ 月 ２８ 日收尾结束ꎬ 共推进 ２３４ ｍꎬ释放压煤 ３７ . ５ 万 ｔꎬ地面注浆 工程于 ２０１９ 年 １２ 月 ３０ 日结束ꎮ 注浆减沉区域从 ２０１８ 年 ９ 月 １２ 日首期 监测至 ２０２０ 年 ２ 月 ２９ 日ꎬ共 进 行 １２５ 次 监 测ꎬ井下回采工作面已结采 ８ 个月ꎬ最大累积 沉降量 为 ７６ . ０８ ｍｍꎬ 其 中 关 键 区 域 内 变 电 室区域最大沉降量为３６ . ４７ ｍｍꎬ瓦斯泵站房 角最大 沉 降 量 为 １０ . ８８ ｍｍꎬ 沉 降 速 率 稳 定 在 ０ . ００２ ｍｍ / ｄ 以 内ꎬ 地 表 及 瓦 斯 泵 房 内 设 备基础没有发现异常现象ꎬ对应的水平变形、 倾斜及曲率等变形指标均满足国家关于建筑 物一级保护等级规定中的要求ꎬ见表 ４ ꎮ 表 ４ 注浆减沉区域观测结果 监测区域最大水平变形值/ ｍｍ􀅱ｍ－１最大倾斜值/ ｍｍ􀅱ｍ－１最大曲率值/ ｍｍ􀅱ｍ－２最大累积沉降量/ ｍｍ 变电室区域－０.３０－０.４８０.０９１３６.４７ 瓦斯泵站区域－１.１３０.０３０. ００７１０.８８ 倾向观测线０. ４８－０.２３０.００８７６.０８ 走向观测线０. ３５－１.０８－０.０２３７２.７７ ０３ ２０２０ 年 ８ 月 吕 毅采动覆岩离层区注浆控制地面沉陷技术研究及应用 第 ２９ 卷第 ８ 期 ４ 结 语 夏店煤矿采动覆岩离层区注浆项目成功释放压 煤 ３７. ５ 万 ｔꎬ实现利润 ３ ９５０ 万元ꎬ且符合充填开采 煤矿税收优惠政策ꎬ已完成退税 ８１０ 万元ꎬ随着该技 术的进一步应用ꎬ地面注浆站等初期投入将持续发 挥作用ꎬ企业利润空间将进一步扩大ꎮ 该项目的成 功应用将为潞安集团及其他煤矿企业类似煤层条件 下开采及采空塌陷防治提供示范ꎬ带来可观的经济 效益ꎮ 本次注浆消耗了电厂粉煤灰 ２６. １ 万 ｔꎮ 当前固 废处理ꎬ特别是无害化绿色处理是企业面临的一大 难题ꎬ固废处理存在难度大、费用高的情况ꎬ该技术 的应用ꎬ有效解决了固废粉煤灰、煤矸石、矿井工 业废水等的处理难题ꎮ 在释放压煤的同时ꎬ地面 农田、建构筑物未遭到破坏ꎬ符合国家“三下”开 采要求ꎮ 该技术为长治地区煤炭企业采空区治理及 “三下”压煤的安全高效开采和矿山环境可持续发 展指出一条新路ꎬ并为山西省乃至全国治理和恢复 生态环境提供了经验ꎬ具有良好的推广应用前景ꎮ 参考文献 [１] 倪建明. 采动覆岩分区隔离注浆充填不迁村采煤技术 [Ｇ] / / 煤炭开采新理论与新技术 中国煤炭学会开 采专业委员会 ２０１２ 年学术年会论文集. 北京中国煤 炭学会开采专业委员会ꎬ２０１２１１４ －１２２. [２] 滕 浩. 覆岩隔离注浆充填压实区形成机制研究[Ｄ]. 徐州中国矿业大学ꎬ２０１７. [责任编辑路 方] 􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸􀤸 上接第 ２５ 页 图 ６ 轨道大巷偏移成像的参数设置 图 ７ 探测模型的离散化 本次物探圈定两处异常区ꎬ见表 ２、图 ８ꎮ 表 ２ 异常解释成果 异常区编号对应位置异常解释 １ 采区东辅助回风大巷 １７０ ｍ 位置、面内 ０ ５０ ｍ 范围 采区东辅助回风大巷 及运输大巷揭露断层 影响所致 ２ 轨 道 大 巷 ＳＧ５ 点 北 １２ ｍ至南 ３０ ｍ 位置、 面内 １２ ４８ ｍ 范围 受隐伏构造影响 ５ 结 语 根据探测成果推断巷道揭露断层走向往西偏 移ꎬ后经在断层东边布置探巷ꎬ巷道掘进 ４００ 余米所 揭全煤ꎬ证实了探测结果的准确性ꎬ为矿井工作面布 置提供了可靠的技术依据ꎮ 图 ８ 探测成果 参考文献 [１] 刘盛东ꎬ张平松. 地下工程震波探测技术[Ｍ]. 徐州中 国矿业大学出版社ꎬ２００８. [２] 刘盛东ꎬ刘 静ꎬ岳建华. 中国矿井物探技术发展现状 和关键问题[Ｊ]. 煤炭学报ꎬ２０１４ꎬ３９１１９ －２５. [３] 张平松ꎬ吴健生. 中国隧道及井巷地震波法超前探测技 术研究分析[Ｊ]. 地球科学进展ꎬ２００６ꎬ２１１０１ ０３３ － １ ０３８. [４] 王 勃. 矿井地震全空间极化偏移成像技术研究[Ｄ]. 徐州中国矿业大学ꎬ２０１２. [责任编辑路 方] １３ ２０２０ 年 ８ 月 吕 毅采动覆岩离层区注浆控制地面沉陷技术研究及应用 第 ２９ 卷第 ８ 期