关岭山煤矿15201 工作面控制采空塌陷的可行性研究

郎小光

（山西陵川崇安关岭山煤业有限公司，山西 晋城 048313）

1 工程概况

1.1 概况

山西陵川崇安关岭山煤矿15201 工作面开采15#煤层，埋深519～563 m，平均煤厚为5.99 m。15201工作面采用综采放顶煤一次采全高开采工艺，采放比约为1:1，采用全部垮落法管理采空区，高抽巷与15201 工作面垂直距离为25～30 m。15201工作面“三下”压覆资源区地表上方从北向南分布有物流市场、公交车站等建筑物，走向长度785 m。经调研与测算，若不采取措施地面赔偿费用将高达1 亿元[1]。

1.2 离层注浆充填技术分析

离层注浆充填技术是从地面布置钻孔将充填料浆高压注入岩层移动变形过程中覆岩内形成的离层空间，从而对离层上覆岩层形成有效支撑作用来控制地表沉陷。相比于其他充填开采方式，其主要优势为不干扰井下正常生产，设备简单易于操作，投资少，在控制地表沉陷的同时又为电厂粉煤灰找到地下存放场所，应用灵活，对局部压煤开采适用性强[2]。

2 工作面上覆地层岩性特征分析

在采矿影响区施工勘查孔（GK01 孔），孔深380.5 m。施工设备为XY-44 型钻机，TBW250/40型泥浆泵，配备73.5 kW 的4135 型柴油机和A 字形13 m 钻塔。

该孔钻所遇地层深度为64.00 m 的第四系地层和深度380.50 m、厚度316.50 m 的二叠系上石盒子组（未揭穿）地层，地层岩性主要以砂质泥岩、泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩和粗粒砂岩互层组成。上石盒子组地层为砂岩与泥岩互层，岩性差异较大，硬岩与软岩层之间有利于形成离层空间，可开展离层注浆控制地表塌陷的施工。

钻孔在钻进过程中未穿见断层，局部岩层中原生裂隙较发育，主要表现为纵向高角度节理裂隙。裂隙的发育对离层注浆不利，易造成浆液漏失，注浆层位选择中应尽量避免该空间。简易水文观测结果显示消耗量基本保持在0.01～0.18 m3/h，水位为0.00～17.87 m。煤田内各泥岩层的隔水性能较好，上下层的水力联系较弱，可有效防止离层注浆过程中浆液水的向下渗透。

3 注浆充填参数的确定

3.1 关键层层位判断

采用关键层判别方法判别关键层的层位，计算得到各关键层信息及其对应的工作面采宽，计算结果见表1。

表1 关键层详细信息一览表

单一关键层时，计算主关键层、亚关键层4、亚关键层3、亚关键层2、亚关键层1 极限垮距时对应的工作面采宽分别为300 m、272 m、212 m、198 m、164 m。

隔离注浆充填开采的承载结构模型可等效为条带开采。等效的条带采宽e和采宽a分别相当于充填承载区宽度c（即压实区宽度）和隔离煤柱宽度b，注采比为K（注浆空间与开采空间的比值），充填承载区宽度按照注采比确定，则充填承载区宽度为：c=K·a；等效条带采宽e为：e=（a-c）/2。进行等效之后，采宽a、隔离煤柱宽度b满足下式：

式中：σp为有效隔离煤柱强度，MPa；γ为地层容重，N/m3；H为煤层埋深，m，θ为煤岩剪切角，取15°。σp按比涅乌斯基公式计算，见下式：

式中：σp为煤试件单轴抗压强度，MPa；D为煤试件尺寸，m；M为煤层采高，m；n为系数，煤柱宽高比大于5 时取1.4，反之取1.0。

煤层单轴抗压强度取10 MPa，计算可得安全煤柱宽度应不小于57 m。

3.2 两带高度确定

15#煤层基本顶以灰白色中厚层中粒或细粒砂岩为主，平均厚度6.10 m，砂岩平均抗压强度80.70 MPa，平均抗拉强度3.1 MPa，平均抗剪强度12.6 MPa，属于中硬-坚硬岩石。按经验公式计算求得15#煤层开采的垮落带高度为23.46 m，裂隙带高度为74.09 m，两带影响的累计高度为97.55 m。

根据15201 工作面河下开采试验可知，裂缝带高度采厚比约为19.96 倍，采厚取5.99 m，得出裂隙带高度为119.56 m。

3.3 注浆层位确定

（1）注浆层位应位于关键层下方离层区内，故5 个关键层下离层均可作为备选层位。

（2）注浆层位需位于裂缝带上部，且需要留设5 倍煤层采高左右的围护带厚度，即29.95 m。因此，15201 工作面覆岩离层注浆层位应在距煤层顶板149.51 m 以上。

（3）以往经验，一般情况下注浆层位应超过0.3倍煤层埋深。参照GK01 孔附近煤层埋深，取529 m，则注浆层位埋深应大于158.7 m 为宜。主关键层埋深为154.1 m，因此主关键层下不适宜作为注浆层位。

分析可知亚关键层1、2、3、4 均满足注浆要求。同时考虑关键层岩性、厚度以及煤层距离，并结合离层注浆工程经验，确定在注浆层位上方选定合适层位进行二次补强注浆，且补强注浆目标关键层位下方应存在较厚的低强度软岩以便进行射孔。为确保一次注浆量及注浆效果，应在主注浆层位下方安全范围内选定合适层位作为次要注浆层位以作为保障。最终选择亚关键层2 作为主要注浆层位，亚关键层1 作为次要注浆层位，亚关键层3 作为二次注浆补强层位。高抽巷距离15201 工作面垂直距离为25～30 m，位于15#煤层裂缝带内，注浆充填不会对高抽巷产生影响。

3.4 工作面宽度及煤柱宽度确定

主注浆层位亚关键层2 所对应的工作面安全采宽应不大于198 m，安全煤柱宽度应不小于57 m。基于开拓情况，工作面宽度与煤柱宽度之和应为235 m，工作面宽度和煤柱宽度应相应按照同比例进行缩小，缩小后的工作面宽度分别为170 m、180 m 和190 m，此时计算得到的煤柱最小宽度分别为54 m、55 m 和56 m，最终取工作面采宽为180 m、煤柱宽度为55 m，即可满足当前采场的尺寸要求。

3.5 注浆区域确定

根据计算确定工作面安全生产宽度为180 m，注浆区域推进长度为785 m。

4 注浆充填控制沉陷效果模拟

采用UDEC 软件进行模拟分析，研究15201 工作面开采过程中覆岩的下沉垮落及离层注浆对地表下沉的控制效果。

15201 工作面基岩上覆约70 m 的风砂土层。根据采煤工作面覆岩关键层理论，风砂层为松软岩层，与下伏基岩表面运动一致，故模型只模拟了基岩段的变形运动。模型的节理划分方式为硬岩层按理论破断步距设置断裂节理以分析其断裂引起的上覆岩层的下沉运动，其他软岩层只设水平层理，不设垂直各倾斜节理。

模型中岩体、节理变形破坏模型均为摩尔库仑模型。数值模拟中将各煤岩层块及裂隙面力学参数代入UDEC 软件进行模拟分析，可得工作面注浆充填开采前后的覆岩下沉变形规律和地表沉陷变形特征数据。离层注浆充填前，煤柱应力集中程度较高，说明上覆岩层重量主要由煤柱承载，随着采场范围的不断扩大，上覆岩层依次破断，直至主关键层发生破断，从而引起地表沉降。离层注浆充填后，在高压浆体和覆岩的自重作用下，在工作面中部形成充填压实区，且注浆充填后的煤柱应力集中程度降低，在煤柱和充填压实体的共同承载下，可保持主关键层不发生破断，进而有效控制地表下沉。

依次回采15201、15203 工作面后，15201 工作面上覆岩层离层区不进行充填，模拟得到地表移动变形规律数据。依次回采15201、15203 工作面后，15201 工作面上覆岩层离层区进行充填，模拟得到地表移动变形规律数据。

根据数值模拟结果可得到离层区是否充填对地表移动变形的影响。通过覆岩离层注浆可使地表建筑物损坏程度达到《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压强开采视范》（2017 年版）中的Ⅲ级保护标准。因此，从保护地表建筑物的角变看，开采15201 工作面时进行覆岩离层注浆可对地表建筑物进行有效保护。

5 结论

结合关岭山煤矿地质条件对离层注浆充填技术方案进行了论证，确定了15201 充填工作面宽度为180 m，煤柱宽度为55 m。依据GK01 孔钻探成果确定亚关键层2 可作为主要注浆层位，亚关键层1可作为次要注浆层位，亚关键层3 可作为二次注浆补强层位。注浆层位埋深为249.7～338 m，位于二叠系上石盒子组。数值模拟结果表明，实施覆岩离层注浆工程可有效减少地表下沉，使地表建筑物满足保护需求，确保矿井安全高效开采，可释放“三下”煤炭资源量约118 万t。