常村煤矿2311工作面上覆岩离层注浆技术保护地表铁路研究

苗 鑫

(晋能控股煤业集团 山西新村煤业有限公司，山西 长治 046300)

1 问题的提出

常村煤矿是山西潞安环保能源开发股份有限公司下属的一座现代化矿井，位于山西省长治市屯留县城东北10 km(直距)处的麟绛镇东藕宋庄—上村镇张家庄——渔泽镇南渔泽—路村乡姬村—襄垣县候堡镇段河一带，行政区划归屯留县、襄垣县管辖。

常村煤矿2311工作面在23采区西部，底板标高+431～515.7 m，地面标高+949.4～953.8 m，上覆地表有余吾铁路运销专线，如对铁路留设保护煤柱，将损失煤炭资源148万t。

余吾铁路运销专线为余吾煤矿煤炭铁路运输专线，每天运力约2万t，若因采煤引起地表沉降导致铁路破坏，将直接影响余吾煤矿煤炭铁路运输。

常村煤矿为节约煤炭资源、延长矿山服务年限，决定采用覆岩离层区注浆充填技术释放上述压覆的148万t煤炭资源，同时保护地表铁路，实现绿色开采。

2 覆岩离层注浆减沉开采技术简介

覆岩离层注浆减沉开采技术是在对煤炭开采形成的上覆岩层离层空间进行研究的基础上，将粉煤灰制成的浆液通过地表钻孔注入地下离层空间，提前干预上覆岩层下沉，人为形成覆岩结构，进而控制地表塌陷。注浆充填系统主要由地面制浆站、注浆站、输浆系统、注浆钻孔等组成。注浆方案主要由注浆工艺、注浆站建设、制浆系统、注浆系统、闭浆措施等组成,见图1。

图1 覆岩离层注浆技术原理示意

3 地表沉降情况预测

3.1 研究目的

对常村矿2311工作面开采时，预测采用覆岩离层注浆充填技术与不采用覆岩离层注浆充填技术两种方案时地表的变形情况。

3.2 地表沉陷预测方法——地表变形预计采用的数学模型

1) 地表任意点A(x，y)的下沉值W(x，y)为：

Wcm=mqcosα

W(x,y)=WcmCxCy

式中：Wcm为充分采动条件下地表最大下沉值；m为采出煤层厚度；q为地表下沉系数；α为煤层倾角；Cx、Cy待求点在走向和倾向主断面上投影处的下沉分布系数；x、y为待求点坐标[1]。

2) 地表任意点A(x,y)沿φ方向的倾斜变形值T(x,y)φ为：

T(x,y)φ=TxCycosφ+TyCxsinφ

T(x,y)φ-90= -TxCysinφ-TyCxcosφ

T(x,y)m=TxCycosφT+TyCxsinφT

式中：φT为最大倾斜值方向与OX轴的夹角(沿逆时针方向旋转)，φT=arcot[TyCx/(TxCy)] ；T(x,y)m为待求点的最大倾斜值，mm/m；；Tx、Ty分别为待求点沿走向和倾向主断面上投影点处迭加后的倾斜变形值，mm/m[2]。

3) 地表任意点A(x,y)沿φ方向的曲率变形K(x,y)φ为：

K(x,y)φ=KxCycos2φ+KyCxsin2φ+(TxTy/Wcm) ·sin2φ

K(x,y)φ-90=KxCysin2φ+KyCxcos2φ+(TxTy/Wcm)·sin2φ

K(x,y)max=KxCycos2φ+KyCxsin2φ+(TxTy/Wcm)·sin2φk

式中：K(x,y)max为待求点最大曲率变形值；Kx、Ky分别为待求点沿走向和倾向在主断面上投影点处迭加后的曲率值[3]。

4) 地表任意点A(x,y)沿φ方向的水平变形值ε(x,y)φ为：

ε(x,y)φ=εxCycos2φ+εyCxsin2φ+[(UxTy+UyTx)/Wcm]·sinφcosφ

ε(x,y)φ+90=εxCysin2φ+εyCxcos2φ-[(UxTy+UyTx)/Wcm]·sinφcosφ

ε(x,y)max=εxCycos2φε+εyCxsin2φε+[(UxTy+UyTx)Wcm]·sinφεcosφε

3.3 不采取覆岩离层注浆充填技术地表采动沉陷预测

综合分析已有岩移监测资料，并参考周边相似地质采矿条件的煤矿的地表变形资料，取合理的参数采用概率积分法，对2311工作面减沉区域的地表变形情况进行预测，预测结果见表1。

表1 常村矿2311工作面不采取注浆充填技术时地表变形预测值

3.4 采取覆岩离层注浆充填技术地表采动沉陷预测

分析2311工作面的注浆条件：地层软硬互层结构；关键层为坚硬且刚度大的岩层，层位居下；注浆孔的密度合理;回采速度均匀适度。在此条件下离层注浆减沉会取得较好的效果。同时，考虑粉煤灰充填体较好的压缩特性，并参考国内有关注浆减沉实例的减沉效果以及本区域的地质条件和采矿条件，取减沉率为0.80进行注浆减沉后地表的变形预测。采用概率积分法对注浆减沉后的地表变形情况进行预测，预测结果见表2。

表2 常村矿2311工作面减沉区域采取注浆时地表变形预测值

分析表1和表2的变形参数可知， 2311工作面采用覆岩离层浆充填技术后，地表变形量大幅下降，达到了地表减沉的目的。

4 受采动影响铁路地表变形及变形速度分析

4.1 矿用铁路地表变形分析

1) 地表矿用铁路变形分析。根据表1和表2的数据，运用数值分析法，可计算出矿用铁路在2311工作面开采时，采取覆岩离层注浆充填技术和不采取注覆岩离层浆充填技术的情况下，矿用铁路地表的变形情况，见表3。

表3 在采取和不采取覆岩离层注浆充填技术情况下矿用铁路地表的变形

2) 铁路等级分类及其允许变形范围。依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》的规定可知，2311工作面上方矿用自备铁路属于Ⅲ级铁路，Ⅲ级铁路的最大允许变形量见表4。

对比表3和表4可知，采取覆岩离层浆充填技术后，铁路的地表变形量非常小，可满足《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》规定的要求。

表4 Ⅲ级铁路地表最大允许变形

4.2 受采动影响后的铁路地表变形速度分析

根据常村煤矿岩移规律，地表最大下沉速度可用以下公式计算：

式中：C为工作面推进速度，m/d；Wmax为地表最大下沉值，mm；H0为平均开采深度，m；K为下沉速度系数，取4.13。

经计算可知，注浆与非注浆条件下地表的最大下沉速度值见表5。

表5 注浆与非注浆条件下地表的最大下沉速度值

由上述预计结果可知，正常开采时地表最大下沉速度大，达75.8 mm/d，而《铁路工务规则》规定线路一次起道或拨道超过100 mm，就需要进行线路封锁施工，因此正常开采方案难以实现维修期间的不间断行车。另外，铁路的移动变形量大，易造成线路坡度、钢轨水平、轨缝的显著变化，使之达到或超过线路的允许变形值，而且铁路沉陷变形的发生、发展过程非常迅速，难以及时有效地进行调整和维修，给线路正常行车造成隐患。

与正常开采相比，采用覆岩离层注浆减沉技术后，地表动态移动变形值明显减小，加之本区域采深较大，地表移动变形是大范围、连续和渐变的，在开采过程中对线路可随时进行简单维修，及时消除动态变形影响，保证线路上的安全行车。

5 结 语

综上所述，常村煤矿2311工作面不采取上覆岩层离层区注浆技术，地表铁路的变形量会非常大，且变形速度会非常快。采取上覆岩层离层区注浆技术后，地表铁路的变形量符合《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》的相关规定，地表铁路的变形速度小于《铁路工务规则》的相关规定。因此，采用上覆岩层离层区注浆技术可保障地表铁路线的正常安全运营，并为常村煤矿解放煤炭资源148万t。