3501 工作面采动覆岩离层注浆控制地面降沉技术

彭 虎

（山煤国际能源集团股份有限公司，山西 太原 030000）

1 矿井地质概况

霍尔辛赫煤业位于山西省长子县县城东南5 km处，矿区地形地貌为黄土高原的低山丘陵，地势平坦，总体分布呈现西高东低，西北、西南为丘陵地带。五采区3501 工作面走向长1 120 m，倾斜宽246 m，开采煤层位二叠系下统山西组3#煤层。该工作面煤层厚4.49～7.17 m，平均厚5.6 m，煤层倾角3°～7°。工作面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。矿区地层由新到老如下：第四系主要是黄土，二叠系上统上石盒子组为中、粗粒砂岩和砂质泥岩和泥岩，二叠系下统下石盒子组为桃花泥岩和粉砂岩，下统山西组发育各种粒度的砂岩、泥质岩和3#煤层。3501工作面上覆地表有长子焦化厂及陈家庄村等建筑物，地面建筑物的存在严重影响了3501 工作面的安全高效开采，覆压的大量煤炭资源难以正常回采，易造成资源浪费。

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，对关键层起到一定的支撑力，人为干涉覆岩受力状态，从而抑制地表沉陷的时间和过程，有效控制地面塌陷范围。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；其次，通过注浆泵将浆液注入离层区域。浆液得到沉淀后，生成压实体，得以填充离层空间，给予上方关键层一定的支撑力，生成“离层区充填体+ 隔离煤柱+ 关键层”的承载体，促进上覆岩层的稳定性，从而减少对地面的破坏，如图1 所示。

图1 离层注浆设计原理

3 离层注浆充填开采技术实施方案

3.1 上两带高度

据相邻赵庄回风井检查孔资料，采用电法实测得出赵庄煤矿大采高综采面垮落带高度为16～22 m，裂缝带高度为59 m。

采空区垮落带高度：（2 ～3）M= （2 ～3）×5.6=11.2～16.8 m

式中：k 为裂采比，参考附近赵庄煤矿取13.7。

根据实测计算法，两带高度为87.92～93.52 m，两带高度取最高值93.52 m。

3.2 隔离围护带高度

注浆时为了防止离层区浆液与导水裂缝带贯通，需要留设5 倍煤层采高左右的围护带厚度，即28 m（5 m×5.6 m=28 m）。因此，3501 工作面覆岩离层注浆层层位应在距煤层顶板121.52 m（93.52 m+28 m=121.52 m）以上。

注浆层位确定程序： 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），可导出：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 层岩层由其承担，判别式如下：由下往上逐层计算，直至确定出最上一层硬岩层(设为第n 层硬岩层)

3.3 注浆层位的确定及其特征

霍尔新赫煤业3501 回采工作面煤层埋深较大，平均为506 m，有多层关键层对离层注浆有利。3501 工作面走向长1 120 m，倾斜宽246 m，根据上两带高度和隔离围护带高度计算，为防止离层区浆液与导水裂缝带贯通，3501 工作面覆岩离层注浆层层位应在距煤层顶板121.52 m （上两带高度93.52 m+ 隔离围护带高度28 m=121.52 m）以上。结合工作面内部钻孔成果资料，本次选择注浆区域是亚关键层4，埋深在332.05 m 左右，距煤层155.2 m 左右，平均厚度9.4 m，岩性为中粒砂岩，如表1 所示。

表1 关键层详细信息一览（破断角按65°计算，单位：m）

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，3501 首采工作面布置3 组注浆孔，一组斜孔，两组直孔，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150m，1 组注浆斜孔钻探工作量合计986m（493m/孔），2 组注浆直孔钻探工作量合计1 528 m（382 m/孔）。如图2、图3 所示。

图2 工作面钻孔钻场、孔口及孔底布置

图3 注浆钻孔结构

表2 注浆钻孔信息一览

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）注浆压力应不小于注浆充填层位以上地层的自然地压，又不大于注浆充填层位到回采工作面的岩层隔水压力，以妥善处理好稳定地表和井下防溃浆之间的关系。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 小时，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

为了监测3501 工作面减沉区域地表的变形情况，在地表沿3501 工作面布设倾向观测线1 条，设置观测点23 个，编号首字母为Q；布设走线观测线1 条，设置观测点28 个，编号首字母为Z，测点间距为25 m。3501 工作面于2022 年5 月份回采结束，经过6 个月的沉降观测数据如表2所示。

表2 3501 工作面采动后地表变形情况

6 结论

1）关键层指采场上覆层有多个岩层时，对岩体活动起到控制作用的岩层。可见，在关键层下方离层间隙内填充浆体，浆体脱水压实后，给予上覆层一定的支撑力，有效缓解岩层移动，为“三下”压煤开采开创了新思路。

2）该注浆系统简单可靠，采用地面打钻孔予以注浆，可避免采用井下填充开采时出现的充填与回采作业出现交叉的情况，提高了安全性。

3）采用覆岩离层关键层注浆技术后，3501 工作面增加了回采长度267 m，置换出长子焦化厂保护煤柱的煤炭资源量0.475 Mt，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0.43 Mt，消耗矿井废水0.30 Mt，有利于地面环境保护；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。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，赋能了矿井绿色开采，实现了安全、高效生产，达到了少丢煤、少搬迁的目的。