覆巖隔離注漿充填采煤方法的應用

袁 猛

(山西省陽泉煤業集團沙鋼礦業投資有限公司，山西臨汾 043500)

0 引言

我國擁有豐富的煤炭資源，其中建筑物下壓煤占很大比例。以淮北礦業集團為例，礦區范圍內壓煤村莊多達300余處，建筑物下壓煤量約占礦區煤炭總量的47%，部分礦井的壓煤量占比高達80%左右。個別煤礦在采煤過程中，征遷費用高達8～10億元。近年來，通過覆巖隔離注漿充填采煤方法在一定范圍內的應用，實現了村莊下采煤，不搬遷村莊的目標，但還需對該充填開采方法進行深入研究，降低充填成本。

1 覆巖隔離注漿充填采煤方法原理

在煤礦開采的早期階段，我國曾對離層區注漿充填等相關理論進行了分析探討、試驗探究，但試驗結果未能達到預期效果，該理論的沉陷控制效果無法達到不遷村采煤的技術目標。覆巖隔離注漿充填是對傳統技術的創新，該充填技術首先要進行工作面采寬設計，設計時需要留出一定的寬度作為隔離煤柱;然后充分利用覆巖層結構所具備的自承載能力，進行地面鉆孔，促進采動覆巖層高壓注漿充填工作面中的壓實支撐區的形成;最后利用壓實區和隔離煤柱就能夠對覆巖關鍵層的結構穩定性進行聯合控制，達到減小地表下沉的效果，實現不遷村采煤，其技術原理如圖1所示。該項技術原理通過了模擬實驗，并在鉆孔原位探測中得到了相應驗證。

圖1 覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術原理示意圖

與傳統的離層區注漿充填技術相比，覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術進行了兩方面創新，即隔離實施與改進注漿充填工藝的機理與技術改進。其中在沉陷控制機理中，不再單一地采用注漿充填體來追求減沉效果，而是利用前期留設的隔離煤柱與充填后形成壓實區來發揮作用。在工藝改進方面，覆巖內填充的壓實粉煤灰體積在開采總體積中的占比有很大提升，達到了40%以上，為壓實區的形成提供了有力保障。在覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術的研究與應用過程中，逐漸形成了“隔離尺寸確定，注漿充填鉆孔布置，進而進行工藝系統與參數設計”的技術設計方法，隨之形成的還有一套管理評價方法，通過技術經濟一體化論證、工程實施質量控制、監測與效果評價等手段，對技術使用工程進行全面的質量管理、費用核算、過程管理以及規范制定等［1］。

2 覆巖隔離注漿充填不遷村采煤的適用性

采用覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術主要進行的是對建筑物下壓煤的開采，在實際開采工程中，該項技術能夠在常規的長壁綜采工作面上實施，單工作面的采寬可布置在150～200 m之間，單工作面的年產量能夠達到60～70萬t，其中煤炭的采出率能夠達到80%以上，開采時的地表下沉系數能夠穩定控制在0．1～0．15之間。實際應用統計顯示，噸煤充填的成本大約30～60元，初期投資主要是地面充填站的建設，投資金額在500萬元左右。

采用覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術的開采方法，與傳統的條帶開采相比工作面更寬、采出率更高，更好地實現了長壁高效開采。與井下充填技術相比，其充填工藝更加簡單，建設周期也明顯縮短。應用覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術不需要改變原有的礦井開采工藝或增設新的充填支架。在技術應用過程中，充填過程與采煤過程不會發生較大的沖突或干擾，使充填成本明顯降低，采煤效率顯著升高［2］。

此外，相較于其他充填采煤方法，覆巖隔離注漿充填不遷村采煤方法的應用需要滿足相應的適用條件，對于基巖厚度超過100 m的單一煤層能夠達到較好的應用效果，要求滿足的地面條件為鉆孔施工條件。在建筑物下局部壓煤的條件下，采用不遷村技術也能夠達到較好的開采效果。

3 覆巖隔離注漿充填不遷村采煤的工程實例

覆巖隔離注漿充填不遷村采煤方法在淮北礦業集團的8個煤礦區中12個壓煤采區得到了成功應用，避免了22個村莊的搬遷(表1)，在應用該項技術后，累計開采出的村莊下壓煤總量為780．4萬t，開采過程的地表下沉系數穩定在0．15以下，村莊內的建筑均未被嚴重損壞，此后，該項技術逐漸向皖北煤電等礦區推廣。依據我國的煤礦地質資源調查，村莊壓煤現象多屬于局部壓煤類型，因此，覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術具有一定的推廣優勢。

表1 覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術在淮北礦業集團部分礦區的應用情況

淮北礦區中的劉店煤礦，井田范圍內的村莊分布十分密集，共77個，而壓煤村莊則多達50個以上，壓煤量在礦井儲量中占比達到80%，其中的104首采區，被兩個村莊共同壓覆，對開采工作造成了很大的障礙。劉店煤礦井田為渦陽新區，其地質構造十分復雜，斷層發育以及煤層的賦存具有高度不穩定性，實際開采中，一個采區通常要布置1～2個工作面，且工作面的設置不規則。針對這種情況，若要進行村莊整體搬遷，統計分析結果顯示，噸煤搬遷費用可能要達到200元以上，前期投入過多的遷村費用將會使整體開采工作面臨嚴峻的經濟風險。另外，在實際開采時，還需要面對復雜的地質問題，礦井生產的可靠性與村民生活穩定性形成了矛盾沖突。因此，劉店煤礦自2009年投產以來，在104采區、103采區、76采區以及101采區的所有工作面，全面采用覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術，保障了礦井的正常開采。

101采區煤層平均傾角為25°，煤層埋藏深度在476～668 m之間，平均572 m，松散層實際厚度285 m，基巖厚度在191～383 m之間，平均值287 m，該采區被4個村莊壓覆。為了保障開采的安全性，采區綜合1016與1018工作面進行了覆巖隔離注漿充填的工作，以此減少地面的下沉，確保地面建筑物安全，避免了采礦帶來的搬遷問題。完成隔離注漿充填以后，對地下的礦產進行開采，并不會影響地面建筑的穩定性，同時，能夠在安全的工作環境中完成93．8萬 t煤炭的開采工作，為該采區直接節省了7 000多萬元的搬遷費用，在獲得經濟效益的同時，獲得更多的社會效益［3］。

4 結語

開展覆巖隔離注漿充填不遷村采煤方法研究，通過相關技術探索，實現不遷村采煤，減少了征遷費用，降低了開采成本，提高了煤礦效益。同時，還能推動相關開采技術與充填工藝的優化升級。因此，重視對覆巖隔離注漿充填不遷村采煤方法的深入研究，適時推廣應用，推動我國煤礦“三下采煤”整體技術升級。