煤矸石覆巖離層注漿充填技術研究與實踐

康永明

(內蒙古北聯電能源開發有限責任公司 高頭窯煤礦， 內蒙古 鄂爾多斯 017000)

隨著我國煤炭資源開發戰略西移和綠色開采的現實要求，煤炭開采進入新的發展階段，西部地區大規模高強度開采產生的煤矸石綜合利用引發廣泛關注[1]，煤矸石地表堆積處理占用大量土地，且污染嚴重；用于發電、鋪路、生產建材、化工原料、農業產品等也存在二次污染或處理量小等問題[2]. 近年來，我國環保政策要求逐漸趨嚴，部分礦區開始探索充填采煤技術并取得了一定成效[3-5]. 離層注漿技術是指在掌握采空區上覆巖層離層發育基礎上，在地面制備粉煤灰漿液，通過地面鉆孔將漿液填充離層區抑制巖層沉降，達到保護地表設施的目的。該技術可布置在常規工作面中，不影響原有生產工藝,操作簡單、充填成本低。

某礦井位于內蒙古鄂爾多斯，年設計產量千萬噸，年產矸石約300萬t，由于外排場地容量有限及環保政策緊縮嚴重制約正常生產，在充分調研國內外煤矸石利用現狀和充填開采技術基礎上，提出了采用煤矸石覆巖離層注漿充填技術。

1 煤矸石覆巖離層注漿充填采煤技術

1.1 技術原理

煤矸石覆巖離層注漿是部分充填采煤技術的一種，見圖1. 其原理是在地面制漿站將煤矸石、粉煤灰和水混合形成均勻漿體，利用工作面后方區域非充分采動形成的離層區域，通過地面鉆孔在采動覆巖離層區高壓注入煤矸石漿液充填，注漿區域包括橫向離層區域和豎向破斷區域，形成一定范圍的充填壓實區維護關鍵層穩定，限制覆巖下沉，達到處理矸石和控制地表沉陷的雙重目的。

圖1 覆巖離層注漿技術圖

1.2 技術關鍵

為防止離層區域內漿液材料流失進入工作面造成井下排水量增加，漿液注射范圍需控制在斷裂帶上方、彎曲下沉帶下部某層位，以及確定合理的注漿材料和注漿參數。注漿材料在保證料漿流動性能條件下，應盡可能增加矸石含量；注漿參數包括關鍵層和注漿層的層位確定、注漿時機、注漿壓力等。

1) 關鍵層層位。采用現場實測、理論計算相結合的方式確定關鍵層的層位。根據現場鉆孔地質資料、聲波測井、井下鉆孔電視等手段確定關鍵層巖性、厚度、埋深等參數，并結合固支梁假設計算關鍵層破斷距。

結合礦區BK105 鉆孔柱狀圖，采用關鍵層判別方法，判別得到關鍵層層位，見表1.

表1 關鍵層位置信息表

2) 注漿充填層位。目前該礦12上煤埋深在350～430 m，煤層平均厚度5 m，為了確定注漿充填層位，根據煤炭科學技術研究院編制的《神東礦區“三帶”發育規律研究報告》，3.5～6 m煤層裂隙帶高度計算公式為：

(1)

其中，m為累計采厚，m，取143.87.

根據式(1)計算出煤層裂隙帶高度取96.9 m，通過工作面煤層鉆孔所獲取的巖層信息，采用關鍵層判別方法預測裂隙帶范圍內的關鍵層組數，留設5倍采高的安全距離，初步確定主注漿層位為231 m關鍵層下離層，二次補償注漿層位為 211 m關鍵層下離層。

3) 注漿充填時機。離層注漿時機需要根據覆巖離層區發育規律及目標關鍵層的穩定控制要求進行選擇，即在滿足目標關鍵層不發生破斷情況下，達到最高的注漿充填量。初次充填時機為目標關鍵層下方離層時開始注漿，即注漿孔位于工作面超前支承壓力峰值區域時實施注漿，工作面開采前提前打好注漿孔，在孔中注入高壓水，當鉆孔中水體漏失量突然增大時，進行初次注漿，注漿孔位置計算公式：

(2)

經計算,上煤三盤區工作面支承壓力峰值位置位于工作面煤壁前方14.2 m.

4) 注漿充填壓力。鉆孔注漿壓力應不小于充填層位以上巖層自然地壓，保證離層區域穩定性并促進離層區發育。在實際施工過程中，通過調節充填鉆孔上口注漿壓力來控制注漿區穩定性，考慮到鉆孔高度差，孔口注漿壓力計算如式(3)；注漿泵壓力需考慮料漿在管道輸送過程中的沿程和局部阻力損失，注漿泵壓力計算見式(4):

P孔=H(γ-γ1)

(3)

P泵=P孔+hf

(4)

經計算，注漿泵壓力為5.5 MPa，注漿孔壓力為2.5 MPa，沿程損失為3 MPa.

5) 注漿鉆孔布置。注漿鉆孔位置及數目與漿體擴散半徑、工作面尺寸等因素相關，為了實現較好的充填效果，應綜合考慮施工成本、技術難度。沿走向布置在工作面中部，每組可布置多個鉆孔，保證對關鍵層下最大離層處進行及時充填，鉆孔深度需要打到離層發育的關鍵層下。沿走向相鄰兩鉆孔間距應不大于漿液擴散半徑的2倍：

W≤2KjRK

(5)

帶入計算結果，并結合以往工程經驗和實際效益，選取注漿孔間距200 m.

2 注漿材料與充填系統設計

2.1 注漿材料配比試驗

合理的漿液配比是保證煤矸石注漿效果的前提。為研究料漿濃度、煤矸石和粉煤灰比例對注漿材料流動和泌水性能的影響，設置不同水灰比、矸石粉煤灰比進行充填材料配比試驗。矸石來自于該礦排矸場；粉煤灰來自礦區附近電廠，灰黑色，為低鈣粉煤灰；所用水為礦井廢水。采用篩分法和激光粒度分析法對試驗所用煤矸石及粉煤灰粒徑分布進行測試，見圖2，經過破碎后最大粒徑不超過10 mm，其中0～5 mm占68%，5～8 mm占27%，8～10 mm占5%，級配良好；粉煤灰粒徑分布為1～100 μm，最大粒徑不超過100 μm.

圖2 矸石及粉煤灰粒徑分布圖

試驗前準備過程包括配料、稱重、攪拌等步驟，料漿攪拌均勻后，采用坍落度筒和泌水率筒測試料漿坍落度和泌水率，試驗分為2組，其中第一組固定矸石∶粉煤灰=6∶1，改變料漿濃度，分別為40%、44%、48%、52%、56%、60%、64%；第二組固定料漿濃度為55%，改變矸石∶粉煤灰比例，分別為 6∶1、5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶0，試驗結果見圖3.

圖3a)為不同質量濃度條件下注漿材料的坍落度和泌水率。可以看出在不同質量濃度下，注漿材料的坍落度不低于250 mm，各配比下料漿的流動性能良好，隨著注漿材料的濃度逐漸增加，坍落度不斷減小，當料漿濃度從40%增加至60%時，料漿坍落度從275 mm降低至254 mm，注漿材料濃度增加降低了料漿的和易性。因此在注漿過程中需控制料漿的濃度，保證料漿的流動性防止堵管。隨著濃度增加，料漿的泌水率不斷減小，當料漿濃度從40%增加60%時，料漿泌水率從33%降低至19%，說明料漿濃度越高，固水性能越好。圖3b)為質量濃度為 50%時，不同矸石與粉煤灰質量比下注漿材料的坍落度和泌水率。可以看出隨著矸石與粉煤灰比率逐漸增加，注漿材料的坍落度增加、泌水率減小，粉煤灰中的細顆粒含量減小，在料漿中起到潤滑作用。

圖3 注漿材料坍落度及泌水率圖

2.2 覆巖離層注漿充填系統

煤矸石覆巖離層注漿充填系統主要分為制漿系統、輸漿系統及注漿系統3大部分。地面制漿系統的工藝流程包括運輸、破碎、磨細、攪拌、注漿、充填等，矸石經過破碎后最大粒徑不超過10 mm；制漿系統將破碎后的矸石、粉煤灰、水經過分級攪拌后，混合成均勻料漿通過管道輸送。根據該礦實際情況，該系統年矸石輸送量200萬t，漿液濃度60%；共設置兩個輸漿孔，孔內徑為273 mm，輸送主泵型號SGMB350-10.0，管道輸送最大壓力8 MPa，地面鉆孔孔口余壓1 MPa.

3 工業性應用

3.1 工程應用情況

首注工作面選擇12上301工作面，該工作面長300 m，采高5 m，工作面年推進長度2 650 m，12上煤埋深為350～430 m，確定主注漿層位為231 m，二次補償注漿層位為211 m；注漿孔孔口壓力2.5 MPa，注漿泵壓力5.5 MPa. 注漿充填區域鉆孔沿工作面走向布置，鉆孔布置于工作面中部，每組2個鉆孔，孔間距40 m，沿走向鉆孔間距200 m，整個工作面共布置4組8個鉆孔。制漿站地點設立于工業廣場選煤廠附近綠地，減小矸石運輸成本，制漿站矸石處理能力為333 t/h，制漿能力640 m3/h，漿體密度為1.5 g/cm3，注漿站選定明安目獨風井廣場，布置一套200萬t/年注漿系統，整個離層注漿系統實行計算機全自動化控制，配料、制漿、攪拌及運輸過程均由計算機完成，大幅提高工程效率和質量。

3.2 效果評價

1) 充填效果分析。為了評價充填開采效果，在工作面對應地表設置剖面線普通地表移動觀測站，走向觀測線和傾向觀測線相互垂直，走向觀測線長度450 m，觀測點16個，點間距30 m；傾向監測線長度240 m，觀測點9個，點間距30 m. 監測結果見圖4. 注漿充填后，走向線實測最大沉降值在第16個測點，最大下沉量為231 mm，傾向線實測最大值在第9個測點，最大下沉量為214 mm，減沉率為67%.

圖4 工作面地表沉降監測示意圖

2) 經濟效益分析。301工作面覆巖離層注漿技術正式運行實施3個月，制漿站日平均處理矸石量約6 500 t，粉煤灰1 300 t，礦井水6 200 t，注漿量約14 000 t；工作面推進660 m，平均每年節約矸石處置費用1 000萬，資源稅由9%減免至4.5%，促進企業向綠色開采轉型，經濟效益顯著。

4 結 語

1) 理論分析和現場測試表明，某礦12上煤主關鍵層距煤層228 m，主注漿層位為231 m關鍵層下離層，注漿鉆孔超前工作面14.2 m，注漿泵壓力為5.5 MPa，鉆孔間距為200 m.

2) 注漿材料配比試驗結果顯示，料漿濃度增加后坍落度和泌水率均減小，流動性減弱，各組配比下料漿坍落度均大于250 mm；隨著矸石與粉煤灰比例的不斷增加，料漿坍落度逐漸漸加，泌水率減小，粉煤灰顆粒能夠起到潤滑作用，增強料漿流動和固水性能。

3) 工程應用表明，該技術應用效果良好，工作面對應地表實測最大下沉量僅為231 mm，平均每日處理矸石6 500 t，每年節約矸石處置費用約1 000萬，經濟效益顯著。