3116 工作面覆巖運動規律及離層充填注漿技術研究

武俊州

（潞安化工集團慈林山煤業有限公司夏店煤礦，山西 長治 046000）

1 工程概況

山西潞安礦業集團夏店煤礦3116 工作面井下位于三一采區，工作面北部為31 采區大巷，南部為邊界保護煤柱，東部為3112 工作面采空區，西部為實體煤。工作面開采3#煤層，煤層均厚5.93 m，平均含有一層夾矸，3#煤層頂底板巖層特征見表1。工作面傾斜長度200 m，走向長度1072 m，采用綜合機械化放頂煤開采方法，開采高度為3 m，采放比為1:0.9，循環進度為0.8 m。由于工作面回采區域地面有建筑物，為有效控制回采后地表的沉陷，需進行覆巖運動規律及覆巖離層注漿技術研究。

表1 頂底板巖層特征表

2 覆巖運動規律分析

為分析3116 工作面回采作業時上覆巖層的運動規律，采用UDEC 數值模擬軟件進行工作面回采期間覆巖裂隙發展及破斷規律分析。根據工作面的地質條件，建立380 m×170 m 的數值模型，設置煤層厚度為6 m，工作面兩側留設30 m 的保護煤柱，限制模型左右兩側X 方向的位移，固定模型底部，模型上部設置為自由條件，并施加覆巖自重的荷載。

在模型建立時，為記錄上覆巖層的位移數據，在各主關鍵層中軸線位置各設置一條測線，分別為A、B、C，并令m～q 剖面線分別過4 號、6 號、8 號、10 號、12 號測點。具體覆巖測線布置形式如圖1。

圖1 上覆巖層測線布置位置示意圖

（1）覆巖垮落及離層規律。為分析上覆巖層在工作面回采作用下的彎曲、離層和垮落現象，分別對工作面推進30 m、60 m、90 m、135 m、150 m、195 m 時的覆巖垮落規律進行出圖。工作面不同推進距離下覆巖垮落規律如圖2。

圖2 工作面不同推進距離下覆巖運動規律圖

分析圖2 可知，當工作面回采推進30 m 時，直接頂巖層開始垮落；當工作面推進60 m 時，基本頂巖層也已出現垮落，且與上覆巖層間形成離層，離層高度約為1 m，跨度為33 m；當工作面推進90 m，亞關鍵層位置出現離層現象，離層呈現為盆地形，離層高度約為2 m，跨度為55 m；隨著工作面的進一步推進，當其推進135 m 時，亞關鍵層位置處的離層進一步擴大，離層高度發展到2.5 m，跨度達到90 m，且在此時主關鍵層與其接觸的巖層間產生了層理；當工作面回采推進195 m 時，主關鍵層發生了破斷，且導致其所控制的巖層同步產生彎曲現象。

根據數值模擬分析結果可繪制出亞關鍵層離層跨度與工作面推進距離間的曲線如圖3。

圖3 亞關鍵層離層跨度曲線圖

分析圖3 可知，亞關鍵層離層跨度隨著工作面回采作業，呈現出先逐漸增大后大幅下降的趨勢。在工作面推進70～90 m 時，由于上位關鍵層的彎曲變化較小，下位巖層裂隙擴展快，進而出現離層跨度增長較快的現象；在工作面推進90～110 m 時，下位巖層緩慢下沉，且層面裂隙的擴展不斷減少，進而出現上位巖層明顯下沉的現象，導致離層跨度增長幅度較慢；在工作面推進110～140 m 時，由于主關鍵層開始破斷，導致亞關鍵層的離層空間逐漸減小，隨著工作面回采作業的持續進行，主關鍵層逐漸破斷下沉，會使得亞關鍵層離層空間逐漸減小，直至被壓實。

（2）巖層下沉移動規律。為分析各個關鍵層下沉移動規律，通過對工作面回采期間巖層測點的運動情況進行分析，得出工作面回采期間各關鍵層巖層下沉規律曲線如圖4。

分析圖4 可知，各關鍵層隨工作面回采推進巖層的垂直位移規律的變化趨勢為：慢速下沉、加速下沉、慢速下沉趨于穩定。6 號測點處關鍵層，在工作面推進30 m 時開始位移；工作面推進110 m 時，測點下沉速度開始逐漸增大；工作面推進150 m 時，巖層的下沉速度開始逐漸降低；工作面推進180 m后，各巖層基本不再出現位移，達到相對平衡的狀態。另一方面，從圖中可看出，各巖層測點開始位移后，在同一垂直測線上，測點的加速位置會隨著巖層層位的增大而逐漸增大，下沉幅度隨著巖層的層位增大而減小。

圖4 各關鍵層測點下沉曲線圖

3 離層充填技術及效果

3.1 離層充填方案

為防止3116 工作面回采后上覆巖層出現大幅彎曲下沉后造成地表建筑物破壞，決定采用離層充填技術，即通過地表向工作面回采后上覆巖層離層空間注入充填材料，以控制巖層的彎曲程度，進而實現控制地面沉降量的效果。離層充填技術方案如下：

（1）鉆孔布置形式。根據3116 工作面的地質條件及覆巖運動規律數值模擬結果，可知主關鍵層和亞關鍵層數據見表2。

根據離層注漿技術原理及關鍵層信息[1-2]，確定工作面覆巖離層注漿主要針對主關鍵層和亞關鍵層。設置5 組注漿孔，其中3～6 組包括2 個注漿孔，一個為主注漿孔，另一個為輔助注漿孔，最后一組有一個注漿孔，編號為注7。注漿孔底與煤層間的距離為86 m，注漿終孔壓力為3.4～6 MPa[3-4]。具體注漿鉆孔布置形式如圖5。

（2）注漿系統及工藝。離層注漿過程主要為通過鏟車將粉煤灰運輸至儲存罐內，隨后與水攪拌均勻，攪拌完成后繼續進行二級攪拌，最后將漿體材料運輸至需要注漿的位置處[5-6]。注漿系統主要包括5 個部分，分別為：粉煤灰儲送、一級攪拌、二級攪拌、管路運輸和鉆孔充填。具體注漿充填系統如圖6。

表2 關鍵層及離層信息數據表

圖5 離層注漿孔布置形式示意圖

（3）注漿過程控制。在3116 工作面回采推進150 m 時，注3（輔3）孔出現壓力釋放現象，開始注3 孔的注漿作業；當工作面推進165 m 時，注4（輔4）孔下方出現離層空間，開始注4（輔4）孔的注漿作業，此時注3（輔3）孔持續進行注漿作業；當工作面推進167 m 時，注3（輔3）孔出現壓力升高現象，停止注漿作業，此時初始注漿與終止注漿位置相差17 m；當工作面推進180 m時，注5（輔5）孔下方出現離層現象，開始注5（輔5）孔的注漿作業；在工作面推進190 m 時，停止注4（輔4）孔的注漿作業；當工作面推進至注6（輔6）孔與注7 孔上方時，分別開始注6（輔6）和注7 孔的注漿作業，至終孔壓力達到6 MPa 時即可停止注漿作業。

3.2 效果分析

為分析離層注漿控制地表沉陷效果，在3116 工作面地表區域建立移動觀測站，觀測站設置在建筑物外墻位置處，在工作面回采期間持續進行觀測作業。觀測結果顯示，工作面回采期間，圍墻外測點處的最大下沉量為30 mm，保護建筑物基本無下沉現象。基于上述分析可知，離層注漿充填方案有效控制了覆巖的彎曲下沉，保障了地面沉降量在合理范圍內。

圖6 注漿充填系統示意圖

4 結論

根據3116 工作面的地質條件，通過數值模擬進行覆巖破斷規律及關鍵層下沉規律的分析，得出各關鍵層離層參數，結合離層充填注漿技術原理進行離層注漿方案的設計，并在離層注漿方案實施后進行地表沉降觀測。根據觀測結果得出，離層注漿效果顯著，有效控制了地表沉降。