公路下覆岩隔离注浆充填开采应用技术研究

周正兵

(山西吕梁中阳付家焉煤业有限公司,山西 吕梁 033400)

近年来煤体开采规模扩大，一些矿井出现了地表建筑物压煤的问题，给矿井生产接续造成了一定的困难[1-2]。如何在不破坏地表建筑物的情况下，实现煤体安全高效绿色开采成为了困扰现场工程技术人员的难题之一。随着采空区充填开采技术的发展，涌现出了覆岩隔离注浆充填开采技术，该技术可以减小上覆岩层关键层的稳定性，降低地表沉降，提升经济效益[3-5]。

1 工程概况

付家焉煤业一采区位于井田北部，开采4煤和10煤，其中4煤局部可采，主采10煤。10煤已回采10101工作面，正在回采10107工作面。10107工作面宽158.6 m，采用放顶煤开采工艺，煤厚平均6 m。10106为10107接替工作面，两面间留设30 m 煤柱，西侧为实体煤。10106 工作面宽194.5 m，走向1 152.3 m，煤厚平均5.53 m，煤层倾角平均11°，因中阳县待修运煤公路横穿整个一采区，公路两侧留设了保护煤柱，宽度约450～490 m，估算压煤量1 500万t。10106工作面公路压煤区域煤层底板标高+714～+782 m，地面标高+980～+1 053 m，埋深223～339 m，平均272 m。10106工作面对应地表为山地，地形起伏，且公路位于山沟内，基岩裸露，其他区域松散层厚度平均约40 m。

10106工作面局部被待修运煤公路所压覆，压煤量101万t(压覆区域走向703 m，采高 5.53 m，煤容重1.41 t/m3)。若公路压煤弃采，会造成煤体资源严重浪费且严重影响矿井的正常生产接续，因此付家焉煤业决定对10106工作面采用覆岩隔离注浆填充开采技术，进一步控制待修公路区域的下沉量，实现安全绿色开采。

2 覆岩隔离注浆充填技术原理

覆岩隔离注浆充填绿色开采技术是一种高效低成本部分充填开采技术，基本原理是：找出控制地表沉陷的关键层，基于关键层不破断设计合理的注浆充填开采参数，在关键层破断前，通过地面钻孔向其下方封闭的离层腔体高压注浆充填，产生“压下托上”作用，将关键层下方碎胀岩体压实形成支撑体，阻止关键层破断，控制地表沉陷，从而保障地面建(构)筑物安全，实现不搬迁开采的目的，技术原理如图1所示。

图1 技术原理示意

3 工作面覆岩隔离注浆充填方案

3.1 注浆充填技术适用性评价

基于覆岩隔离注浆充填开采技术原理及其基本适用条件，结合付家焉煤业10106 工作面基本开采技术条件和建(构)筑物的分布情况，对工作面采用覆岩隔离注浆充填技术的可行性进行分析。

3.1.1 工作面开采条件

从现有开采情况来看，10106 工作面宽194.5 m(含两巷)，满足注浆充填要求，采高约5.53 m，该类似条件已经在其它矿井得到了成功应用。

3.1.2 基岩厚度条件

待修运煤公路压煤区域的埋深普遍较小，埋深223～339 m，平均272 m，基岩最小厚度仅223 m，在 10106工作面宽194.5 m、采高5.53 m的条件下，该基岩厚度偏小，若实施注浆充填，存在地面跑浆风险。

3.1.3 外部条件

待修运煤公路两侧压煤区域地形复杂，局部区域落差较大，对钻孔施工造成较大影响，将增加修路和定向钻孔施工的成本，其余注浆需要的场地、水电、粉煤灰原材料等条件具备。

综上所述，在10106工作面宽194.5 m、采高5.53 m的条件下，基岩厚度严重偏小，虽可尝试实施注浆充填，但存在地面跑浆导致地表沉陷偏大的风险。地表局部地势起伏较大，影响钻孔的施工，但工作面适用覆岩隔离注浆充填开采技术。

3.2 注浆充填工艺

覆岩隔离注浆充填开采技术的工艺流程见图2所示，将电厂粉煤灰通过水泥罐车运输至地面一级注浆站，并存放于立罐中。立罐中的粉煤灰通过气泵高压输送至一级注浆站的一级搅拌池进行搅拌制浆，然后流入二级搅拌池进行二级搅拌，最后通过泵房内的注浆泵，将二级搅拌池内的浆体压入输送管路，然后进入钻孔进行注浆充填。设计泵站最大注灰能力1 500 t/d，且要求注浆泵站具备1 200 t/d的储灰能力。

图2 覆岩隔离充填开采注浆工艺流程

3.3 注浆充填工程量

根据10106工作面实际开采条件，在工作面区域内设计5个注浆钻孔，每个注浆转孔采用2开成孔，1号和2号孔要下套管，3号孔采用裸孔直到终孔为止。钻孔平均深度280 m，根据地表起伏及工作面地质构造现场情况适当调整孔深。共计施工钻孔1 364.3 m，注入粉煤灰335 000 t。

4 工程应用效果分析

10106工作面过注浆区域过程中，沿走向距离注浆边缘200 m处布置1条测线，沿工作面布置方向在测线上布置9个测点对地表沉陷进行了观测，如图3所示。整个推进过程中累计出现了58次地表沉陷，观测结果如图4所示。

图3 测点布置示意

图4为10106工作面距离测线不同距离时，地表沉降监测结果。由图可以看出，随着工作面靠近观测点，地表沉陷量表现出了不同的特征，测点距离工作面预计地表沉陷量，沿走向最大沉陷发生在工作面过测点100 m处，随着工作面继续推进，沉陷开始减小，当工作面推过测线150 m后地表沉陷量趋于稳定。沿工作面布置方向，地表沉陷最大值发生在中部，表现为由中部向两侧减小。整个观测过程中地表最大沉陷量为263 mm，该下沉对地面建筑物不造成影响。

图4 地表沉降监测结果

通过实施覆岩隔离注浆充填开采技术，工作面多回收煤炭101万t，按照每吨260元计算，多回收煤炭销售收入约为3.03亿元，注浆充填项目共计费用约5 500万元，扣除注浆成本后预计增收2.48亿元，经济效益显著。

5 结 语

1) 通过对公路下10106工作面注浆充填技术评价，得出工作面基岩厚度严重偏小，存在地面跑浆导致地表沉陷偏大的风险。地表局部地势起伏较大，影响钻孔的施工，但整体方案可行。

2) 通过工作效果验证，地表最大沉降量仅为263 mm，对地表建筑物没有任何影响。

3) 通过实施覆岩隔离注浆充填技术，矿井可实现增收2.48亿元。