3501 工作面采動覆巖離層注漿控制地面降沉技術

彭 虎

（山煤國際能源集團股份有限公司，山西 太原 030000）

1 礦井地質概況

霍爾辛赫煤業位于山西省長子縣縣城東南5 km處，礦區地形地貌為黃土高原的低山丘陵，地勢平坦，總體分布呈現西高東低，西北、西南為丘陵地帶。五采區3501 工作面走向長1 120 m，傾斜寬246 m，開采煤層位二疊系下統山西組3#煤層。該工作面煤層厚4.49～7.17 m，平均厚5.6 m，煤層傾角3°～7°。工作面采煤工藝為傾斜長壁后退式低位放頂煤綜合機械化采煤法。礦區地層由新到老如下：第四系主要是黃土，二疊系上統上石盒子組為中、粗粒砂巖和砂質泥巖和泥巖，二疊系下統下石盒子組為桃花泥巖和粉砂巖，下統山西組發育各種粒度的砂巖、泥質巖和3#煤層。3501工作面上覆地表有長子焦化廠及陳家莊村等建筑物，地面建筑物的存在嚴重影響了3501 工作面的安全高效開采，覆壓的大量煤炭資源難以正?；夭?，易造成資源浪費。

2 采動覆巖離層區注漿技術原理

2.1 基于巖層移動與控制的關鍵層理論

關鍵層指采場上覆層包含多個巖層時，對巖體活動起到控制性的巖層。礦井回采作業頂板上部起控制作用的巖層為亞關鍵層，對該層以上至地表的巖層起控制作用的巖層為主關鍵層。依照實踐經驗，采動覆巖離層多發生在各個關鍵層下方且離層最大發育高度止于主關鍵層下方。地面塌陷多隨回采進度的推進而擴大，關鍵層下部離層空間增加，一旦亞關鍵層巖體穩定性受損后，離層空間將由下而上進行傳遞，直至主關鍵層穩定性破壞，隨后整體離層空間擴大化，傳遞至地面形成塌陷。

2.2 采動覆巖離層區注漿技術原理

回采工作面采動覆巖離層區注漿技術是通過對離層區進行注漿，漿體脫水壓實后，對關鍵層起到一定的支撐力，人為干涉覆巖受力狀態，從而抑制地表沉陷的時間和過程，有效控制地面塌陷范圍。實際作業時，首先在地面布置適宜的注漿鉆孔，鉆孔深度至離層區域；其次，通過注漿泵將漿液注入離層區域。漿液得到沉淀后，生成壓實體，得以填充離層空間，給予上方關鍵層一定的支撐力，生成“離層區充填體+ 隔離煤柱+ 關鍵層”的承載體，促進上覆巖層的穩定性，從而減少對地面的破壞，如圖1 所示。

圖1 離層注漿設計原理

3 離層注漿充填開采技術實施方案

3.1 上兩帶高度

據相鄰趙莊回風井檢查孔資料，采用電法實測得出趙莊煤礦大采高綜采面垮落帶高度為16～22 m，裂縫帶高度為59 m。

采空區垮落帶高度：（2 ～3）M= （2 ～3）×5.6=11.2～16.8 m

式中：k 為裂采比，參考附近趙莊煤礦取13.7。

根據實測計算法，兩帶高度為87.92～93.52 m，兩帶高度取最高值93.52 m。

3.2 隔離圍護帶高度

注漿時為了防止離層區漿液與導水裂縫帶貫通，需要留設5 倍煤層采高左右的圍護帶厚度，即28 m（5 m×5.6 m=28 m）。因此，3501 工作面覆巖離層注漿層層位應在距煤層頂板121.52 m（93.52 m+28 m=121.52 m）以上。

注漿層位確定程序： 由下往上確定煤層以上高度范圍內符合互層條件的亞關鍵層，各巖層形成組合梁，由組合梁原理（巖層協調變形），可導出：當第m+1 層為堅硬巖層，該層撓度低于下層巖層撓度，即第m+1 層以上巖層無需下部巖層承受其載荷，則必然有亞關鍵層之上的m 層巖層由其承擔，判別式如下：由下往上逐層計算，直至確定出最上一層硬巖層(設為第n 層硬巖層)

3.3 注漿層位的確定及其特征

霍爾新赫煤業3501 回采工作面煤層埋深較大，平均為506 m，有多層關鍵層對離層注漿有利。3501 工作面走向長1 120 m，傾斜寬246 m，根據上兩帶高度和隔離圍護帶高度計算，為防止離層區漿液與導水裂縫帶貫通，3501 工作面覆巖離層注漿層層位應在距煤層頂板121.52 m （上兩帶高度93.52 m+ 隔離圍護帶高度28 m=121.52 m）以上。結合工作面內部鉆孔成果資料，本次選擇注漿區域是亞關鍵層4，埋深在332.05 m 左右，距煤層155.2 m 左右，平均厚度9.4 m，巖性為中粒砂巖，如表1 所示。

表1 關鍵層詳細信息一覽（破斷角按65°計算，單位：m）

4 注漿參數設計和流程

4.1 注漿孔部署方案

在注漿開始前，3501 首采工作面布置3 組注漿孔，一組斜孔，兩組直孔，間距40 m。注1 孔、注2 孔鉆孔孔底間距100 m，注2、注3 鉆孔孔底間距150m，1 組注漿斜孔鉆探工作量合計986m（493m/孔），2 組注漿直孔鉆探工作量合計1 528 m（382 m/孔）。如圖2、圖3 所示。

圖2 工作面鉆孔鉆場、孔口及孔底布置

圖3 注漿鉆孔結構

表2 注漿鉆孔信息一覽

4.2 注漿流程

（1）人工將粉煤灰運輸至地表注漿站，存放在儲料倉，再經輸送設備運送至制漿機進行漿液制作，所得漿液經過一系列的除砂工藝后進行二次攪拌，攪拌后的漿液通過管道直接供給注漿泵使用，通過高壓注漿泵將二級攪拌后的漿體壓入輸漿管路，最后進入注漿鉆孔。

（2）注漿壓力應不小于注漿充填層位以上地層的自然地壓，又不大于注漿充填層位到回采工作面的巖層隔水壓力，以妥善處理好穩定地表和井下防潰漿之間的關系。注漿結束判斷指標為注漿壓力、單孔注漿量同時滿足。根據測算，注漿壓力6 MPa，注漿1 小時，每米吃漿量為83.52～255.79 m3。如注漿量超過正常吃漿量1.5 倍，即停止注漿；加強觀察，排除跑漿可能。

5 注漿充填效果

為了監測3501 工作面減沉區域地表的變形情況，在地表沿3501 工作面布設傾向觀測線1 條，設置觀測點23 個，編號首字母為Q；布設走線觀測線1 條，設置觀測點28 個，編號首字母為Z，測點間距為25 m。3501 工作面于2022 年5 月份回采結束，經過6 個月的沉降觀測數據如表2所示。

表2 3501 工作面采動后地表變形情況

6 結論

1）關鍵層指采場上覆層有多個巖層時，對巖體活動起到控制作用的巖層?？梢?，在關鍵層下方離層間隙內填充漿體，漿體脫水壓實后，給予上覆層一定的支撐力，有效緩解巖層移動，為“三下”壓煤開采開創了新思路。

2）該注漿系統簡單可靠，采用地面打鉆孔予以注漿，可避免采用井下填充開采時出現的充填與回采作業出現交叉的情況，提高了安全性。

3）采用覆巖離層關鍵層注漿技術后，3501 工作面增加了回采長度267 m，置換出長子焦化廠保護煤柱的煤炭資源量0.475 Mt，價值約5.2 億元；采區回采率由75%提高到89%，有效延長了礦井服務年限；同時處理粉煤灰0.43 Mt，消耗礦井廢水0.30 Mt，有利于地面環境保護；資源稅費由8%減免為4%，科技項目加計扣除減免稅約500 萬元；塌陷治理費用減少約300 萬元。項目經濟效益累計5.47 億余元，同時優化了礦井采掘銜接，增加了瓦斯抽采量，賦能了礦井綠色開采，實現了安全、高效生產，達到了少丟煤、少搬遷的目的。