采动覆岩离层注浆控制地面降沉技术研究与应用

陈守钰

（华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000）

1 概 况

华阳集团兴裕煤业位于阳泉市平定县冶西镇苏村一带，行政区划隶属阳泉市平定县冶西镇管辖。兴裕煤业15107 工作面走向长624 m，倾斜长185 m，煤层厚4.49～7.17 m，平均厚5.6 m，采煤工艺为倾斜长壁后退式低位放顶煤综合机械化采煤法。煤层上覆二叠系下统山西组、下石盒子组，二叠系上统上石盒子组及第四系地层。其中第四系主要是黄土，上石盒子组为中、粗粒砂岩和砂质泥岩和泥岩，下石盒子组为桃花泥岩和粉砂岩，山西组发育各种粒度的砂岩、泥质岩和3 号煤层。在15107 工作面上覆地表有厂及村庄等建筑物，须设置专门的保护煤柱，严重影响15107 工作面的安全高效开采，压覆大量资源难以回收，造成资源浪费。为解决这一问题，解放保护煤柱的煤炭资源，开展覆岩离层关键层注浆技术研究，对保护煤柱进行充填开采。

2 采动覆岩离层区注浆技术原理

2.1 基于岩层移动与控制的关键层理论

关键层指采场上覆层包含多个岩层时，对岩体活动起到控制性的岩层，矿井回采作业顶板上部起控制作用的岩层为亚关键层，对该层以上至地表的岩层起控制作用的岩层为主关键层。依照实践经验，采动覆岩离层多发生在各个关键层下方且离层最大发育高度止于主关键层下方。地面塌陷多随回采进度的推进而扩大，关键层下部离层空间增加，一旦亚关键层岩体稳定性受损后，离层空间将由下而上进行传递，直至主关键层稳定性破坏，随后整体离层空间扩大化，传递至地面形成塌陷。

2.2 采动覆岩离层区注浆技术原理

回采工作面采动覆岩离层区注浆技术是通过对离层区进行注浆，浆体脱水压实后，对关键层提供一定的支撑力，人为干涉覆岩受力状态，抑制地表沉陷的时间和过程，有效控制坍陷范围。实际作业时，首先在地面布置适宜的注浆钻孔，钻孔深度至离层区域；然后通过注浆泵将浆液注入离层区域；浆液沉淀后变为压实体，填充离层空间，形成“离层区充填体+隔离煤柱+关键层”的承载体，增强上覆层岩石的稳定性，削弱破坏程度，如图1所示。

图1 离层注浆设计原理示意图Fig.1 Design principle of separation grouting

3 离层注浆充填开采技术实施方案

3.1 上两带高度

据相邻回风井检查孔资料，电法测出该地区大采高综采面跨落带高度范围16～22 m，裂缝带高59 m，裂采比为13.72。具体到兴裕煤业15107 工作面，垮落带高度为（2 ～3） M=（2 ～3） ×5.6=11.2 ～16.8 m，裂隙带高度为kM=13.7×5.6=76.72 m（裂采比取13.7），则两带高度为87.92～93.52 m，以安全为导向，取最大值93.52 m。

3.2 隔离围护带高度

注浆作业过程中为避免离层区浆液和导水裂隙带发生贯通情况，须预留围护带，其厚度不小于5 倍煤层采高，即28 m（5×5.6 m=28 m）。因此，15107 工作面覆岩离层注浆层位应在距煤层顶板93.52+28=121.52 m 以上。

3.3 注浆层位确定

由下往上确定煤层以上高度范围内符合互层条件的亚关键层，各岩层形成组合梁，由组合梁原理（岩层协调变形可知，当第m+1 层为坚硬岩层，该层挠度低于下层岩层挠度，即第m+1 层以上岩层无需下部岩层承受其载荷，则必然有亚关键层之上的m 层岩层则由其承担，判别式如下：

15107工作面煤层埋深大，有多层关键层，对离层注浆有利，详见表1。

表1 关键层详细信息一览（破断角按65°计算）Table 1 Detailed information list of key layers(breaking angle is calculated at 65°)

按式（1） 依次由下往上逐层计算，确定选择亚关键层4。通过分析该矿1910 钻孔成果及周边钻孔资料，注浆区域亚关键层4 埋深在333 m 左右，距煤层154 m 左右，平均厚度9.4 m，岩性为中粒砂岩，同时满足隔离围护带高度要求，因此选择此离层空间进行注浆最为适宜。

4 注浆参数设计和流程

4.1 注浆孔部署方案

在注浆开始前，15107 工作面布置3 组注浆孔，一组斜孔两组直孔，主副孔间距40 m。注1孔、注2 孔钻孔孔底间距100 m，注2、注3 钻孔孔底间距150 m，1 组注浆斜孔钻探工作量合计986 m（493 m/孔），2 组注浆直孔钻探工作量合计1 528 m（382 m/孔）。

4.2 注浆流程

（1） 人工将粉煤灰运输至地表注浆站，存放在储料仓，再经输送设备运送至制浆机进行浆液制作，所得浆液经过一系列的除砂工艺后进行二次搅拌，搅拌后的浆液通过管道直接供给注浆泵使用，通过高压注浆泵将二级搅拌后的浆体压入输浆管路，最后进入注浆钻孔。

（2） 为了控制上覆关键层的下沉，注浆压力不能低于注浆充填层位上方的自然地压，且不能高于充填层至回采工作面的岩层隔水压力，以达到稳定地表和井下防溃浆的目标。注浆结束判断指标为注浆压力、单孔注浆量同时满足。根据测算，注浆压力6 MPa，注浆1 h，每米吃浆量为83.52 ～255.79 m3，如注浆量超过正常吃浆量1.5 倍，即停止注浆，加强观察，排除跑浆可能。

5 注浆充填效果

采用离层注浆技术后，15107 工作面可以安全对保护煤柱进行开采，多回采了267 m。为验证离层注浆的效果，保证开采安全，在开采过程中，对15107 工作面减沉区域地表变形情况进行监测，布设倾向观测线1 条，设置观测点23 个，编号首字母为Q，布设走向观测线1 条，设置观测点28 个，编号首字母为Z，测点间距为25 m。监测结果见表2。

表2 15107 工作面采动后地表变形情况Table 2 Surface deformation after mining of No.15107 Face

表1 中最大沉降量434 mm 只有极个别点达到，大部分测点沉降量都比较小，且其他数据也比较小，满足相关规范的要求，说明此次离层注浆技术应用效果良好。

6 结 语

兴裕煤业15107 工作面利用采动覆岩离层注浆技术成功回收保护煤柱，增加回采长度267 m，置换出该矿保护煤柱的煤炭资源量约47.5 万t，价值约5.2 亿元；采区回采率由75%提高到89%，有效延长了矿井服务年限，同时处理粉煤灰43 万t，消耗矿井废水30 万t；资源税费由8%减免为4%；科技项目加计扣除减免税约500 万元；塌陷治理费用减少约300 万元等，项目经济效益累计5.47 亿余元，同时优化了矿井采掘衔接，增加了瓦斯抽采量，保障了矿井安全生产，实现了少丢煤、少搬迁和煤炭的绿色开采。