晶鑫煤業3133工作面覆巖隔離注漿充填技術研究

張少山

（山西陽城陽泰集團晶鑫煤業股份有限公司，山西 晉城 048100）

1 工程概況

山西陽城陽泰集團晶鑫煤業股份有限公司位于山西省陽城縣鳳城鎮臥莊村，現階段進行3#煤層的采掘工作，煤層厚度(最大-最小/平均)4.80～2.47/3.65m，煤層傾角（最大-最小/平均）3～0/2°，煤層硬度f=4，煤層節理（發育程度）不發育，煤層多為黑、灰黑色，條痕呈灰黑色具強玻璃光澤，節理和內生裂隙發育，結構均勻，性脆易碎，即將進行回采的3133工作面地面標高為+681～710m，井下標高+587～596m，井下相對位置：東側為實體煤，南部為3131工作面（正在回采），西側為三采區運輸大巷，北部為規劃的3135工作面（未掘），該工作面地質構造相對簡單，無斷層、陷落柱、褶曲、裂隙、火成巖浸入等，煤層賦存比較穩定，屬簡單穩定近水平煤層。地層走向變化不大，對采掘影響不大。3313工作面開切眼側被地面一座鋼廠所覆蓋，詳情如圖1所示，受影響儲量為112.5萬t，而參考3131工作面開采期間地面沉陷特征，預計3133工作面回采將引起地面下沉量達到2.5m以上，為開采鋼廠下方的煤體，需采取適當的治理措施。

圖1 3133工作面井上下對照圖

2 地面構筑物下覆巖隔離注漿充填開采技術原理

晶鑫煤業3133工作面采用全部垮落法管理頂板工藝進行開采，將引起地面嚴重沉陷，影響地面鋼廠等構筑物，傳統的注漿開采工藝僅能減緩地面的沉陷，但并不能從根本上控制地面的下沉，對于此類問題目前最新的解決方法為覆巖隔離注漿充填開采技術，該技術是在傳統的充填開采和條帶開采的基礎上提出的，其原理如圖2所示，采煤工作面回采后，采空區中部將形成重新壓實區，通過注漿對采空中部上覆巖層進行加固，利用關鍵層的承載特性使采空區中部上覆巖層具有良好的支撐能力，在區段煤柱的共同支撐作用下控制地表的沉陷。

圖2 覆巖隔離注漿充填示意圖

3 3133工作面覆巖隔離注漿充填方案設計

3.1 注漿層位分析

根據覆巖隔離注漿充填開采技術原理可知，高壓漿液主要注入對象為采空區上覆巖層“彎曲下沉帶”范圍內的關鍵層下方，因此首先需要對3133工作面上覆巖層的關鍵層進行判別，關鍵層的顯著特點為具有良好的承載性能，關鍵層更為堅硬，關鍵層下沉時其上覆巖層將與其同步下沉，關鍵層發生破斷時，上覆巖層將同步破斷，關鍵層不會對其下部巖層產生載荷，假設第1層巖層為關鍵層，該關鍵層控制n層巖層，若第n+1層巖層為關鍵層，則必然有qn+1＜qn，qx為第x層巖層對關鍵層施加的載荷，其計算公式（1）：

式中：Ei、γi、hi分別表示巖層的彈性模量、容重、厚度，將各個巖層的相關參數代入式（1），并通過qn+1＜qn進行判別，最終確定3133工作面覆巖關鍵層：第一層距煤層頂面12m，第二層距煤層頂面46m，第三層距煤層頂面68m。3133工作面采高為3.65m，采空區導水裂隙帶發育高度為11倍的采高，則可知導水裂隙帶發育高度約為40.15m，為防止漿液通過導水裂隙帶滲流至采空區，發生跑漿現象，注漿層位與導水裂隙帶間需多留設20m厚的保護巖層，所以注漿層位應距煤層頂面60.15m以上，第三層關鍵層距煤層頂面68m，滿足要求，因此將注漿層位設置在距煤層頂面68m作用的第三層關鍵層下方。

3.2 確定注漿材料及濃度

覆巖隔離注漿充填技術主要原理為漿液充填關鍵層與下方巖層間的空間，高壓漿液在封閉空間充滿后即可支撐上部巖層、壓實下部巖層，因此充填漿液并不需要很強的物理力學特性，具備以下特點即可：①具有良好的流動性；②漿液塑性粘度增長緩慢，漿液不會迅速凝固導致堵管等問題；③材料廣泛、廉價；④漿液泌水后收縮量小；⑤漿液無毒、無污染。綜合以上特點，決定采用粉煤灰作為3133工作面覆巖隔離注漿材料。塑性粘度對于漿液的流動性、凝固時間、充填效果具有顯著影響，因此可根據不同濃度漿液塑性粘度的變化來確定合理的漿液濃度，參考相關的研究成果，8種粉煤灰漿液的塑性粘度隨其濃度的變化規律如圖3所示，當漿液濃度小于0.6時，塑性粘度增長緩慢，濃度大于0.7時，塑性粘度迅速增大，因此通常漿液濃度應選擇在0.6～0.7之間，考慮到3313工作面存在較多斷層，漿液較低時存在較大的跑漿風險，因此設計漿液濃度為0.7。

圖3 不同濃度條件下漿液塑性粘度變化

3.3 地面鉆孔位置

晶鑫煤業3133工作面開切眼附近煤體被地面鋼廠壓覆，屬于工作面部分壓煤，不需要對整個工作面覆巖進行充填，僅需對可能影響地面構筑物的區域進行充填，所以3313工作面僅需對工作面切眼及壓煤線之間的區域進行充填。注漿鉆孔的布置方式可分為單孔、雙孔兩種，單孔布置具有工程量少、成本低等優勢，但是容易發生堵孔導致設計的填充區域無法注實，充填效果無法保證。雙孔注漿的優勢在于，當一個注漿孔出現堵孔現象后，可通過同組第二個鉆孔繼續注漿，使注漿效果更有保證，因此確定采用雙孔注漿工藝。參考類似地質條件下的成功應用經驗[2-3]，確定注漿壓力為8MPa，注漿鉆孔的擴散半徑與注漿壓力、注漿時機、漿液濃度等因素密切相關，準確的確定漿液的擴散半徑較困難，通過工程類比設計3133工作面采用五組注漿鉆孔，每組兩個鉆孔間距20～40m，組與組間間距100～200m，鉆孔布置詳情如圖4所示。

圖4 注漿鉆孔布置示意圖

4 應用效果模擬分析

根據晶鑫煤業3133工作面附近鉆孔柱狀圖及各個巖層的參數，采用Udec模擬軟件建立相應的數值模型[4]，模型寬度為1500m，高度為180m，模型X軸方向為工作面長度方向，Y軸方向為豎直方向，3133工作面長度為160m，采高為3.65m，上覆巖層總厚度為110m，其中松散層厚度為30m，共三層關鍵層，注漿鉆孔布置在工作面中部，煤層和巖層本構模型采用摩爾--庫倫模型，模式方案：將煤層一次挖出，采用pfix命令對第三層關鍵層下方進行注漿，向離層區域施加壓力模擬漿液充填，煤層開挖和漿液充填同時進行，在模型頂面布置測線監測地面的位移情況，整理得到圖5所示結果。

圖5 3133工作面開采后地面沉降量變化規律

根據圖5所示結果可以看出，晶鑫煤業3133工作面采用覆巖隔離注漿充填開采后，引起地面以工作面中部為中心對稱下沉，地面最大沉降量為391mm，最大傾斜值為±1.7mm/m，地面沉降量較小，根據建（構）筑物損壞等級劃分標準，地表變形的傾斜值i≤3.0mm/m，損壞分類為極輕微損壞，建筑物處于I級的損壞等級，地面構筑物處理方式為不修，地面構筑物基本不會發生損壞。綜上可知，采用覆巖隔離注漿充填技術能夠有效避免3133工作面開采影響地面鋼廠的穩定，解放壓煤量112.5萬t，在開采的同時保護鋼廠。

5 結論

參照晶鑫煤業3131工作面開采地面沉降特征，預計3133工作面采用傳統的回采工藝將影響地面鋼廠的穩定性，因此提出采用覆巖隔離注漿充填技術來控制地表的下沉，根據覆巖隔離注漿充填開采技術原理確定注漿層位，通過分析計算確定注漿位置為距離煤層頂面68m的第三層關鍵層下方，選擇粉煤灰作為注漿材料，確定合理漿液濃度為0.7，設計雙孔注漿工藝，確定注漿鉆孔的布置間距和注漿壓力，通過數值模擬研究考察方案的可行性，3133工作面采用覆巖隔離注漿充填技術回采后，地面最大沉降量為391mm，建筑物處于I級的損壞等級，損壞分類為極輕微損壞，在開采的同時保護了地面鋼廠。