村莊下覆巖離層注漿充填開采技術(shù)的應(yīng)用

蘇占林 劉樂平 張程偉

（山東能源新礦集團(tuán)，山東 新泰 271200）

新汶井田處于城市邊緣，地面村莊建筑物密集，井田范圍內(nèi)有27 個(gè)行政村，千米以淺可采資源量1500 萬t，90%可采資源為建下壓煤。目前剩余資源多為獨(dú)立小塊段，如果采用村莊整體搬遷方式共需搬遷9 個(gè)村，需資金大，地方關(guān)系協(xié)調(diào)、土地征收難度大。為解放建下壓覆煤炭資源，開展覆巖離層注漿技術(shù)研究[1-2]。

1 充填注漿技術(shù)理論

地下煤層被采出后形成了人為空間，巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)被改變，上覆巖層自下而上將不同程度地受到移動(dòng)和變形影響甚至破壞。由于層狀沉積巖的巖層強(qiáng)度、厚度、組合方式、界面特性的差異，在巖層移動(dòng)過程中并不是同步移動(dòng)的，而存在著移動(dòng)的不協(xié)調(diào)性，且往往以離層方式呈現(xiàn)。實(shí)踐證明，一般在硬度高、厚度大的巖層下部易于產(chǎn)生較大的離層空間。

通過地面鉆孔對采動(dòng)覆巖離層區(qū)（注漿層位須滿足安全防水煤巖柱設(shè)計(jì)要求）注入高壓漿液進(jìn)行充填，高壓漿液作用于離層四周圍巖而擠壓其下部巖層，使巖層移動(dòng)過程中所形成的裂隙和碎裂空間逐漸被壓實(shí)。對于多孔介質(zhì)的巖體，在滲透力的作用下圍巖水被滲流擴(kuò)散，固體充填物脫水沉淀。在不斷注入的漿液作用下，充填物體積和密實(shí)程度不斷增加，進(jìn)而支撐了上覆巖層的向下移動(dòng)，形成覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)—充填區(qū)壓實(shí)承載層—區(qū)段或其他隔離煤柱的復(fù)合支撐承載結(jié)構(gòu)，從而阻止或減小上覆巖層的彎曲下沉，實(shí)現(xiàn)對地表塌陷的有效控制。

2 覆巖離層注漿技術(shù)理論實(shí)踐

為了解決村莊下采煤，按照相關(guān)規(guī)范要求必須采用充填方式進(jìn)行開采。經(jīng)過多方面調(diào)研，孫村煤礦計(jì)劃在2213 東工作面實(shí)施覆巖離層注漿技術(shù)實(shí)施開采。為了指導(dǎo)后期注漿方案設(shè)計(jì)，給注漿工作提供參考資料，本次工作面采用試驗(yàn)的方式，對開采后的離層情況進(jìn)行分析試驗(yàn)，尋找最優(yōu)最適合新汶煤田地層的注漿層位，保證注漿減沉的效果，確保村莊下安全綠色開采。

2.1 實(shí)施過程

2213 東工作面走向長148.8～155 m，平均149.5 m，傾斜長191.7～221.7 m，平均195.1 m，水平面積 29 167.5 m2，傾斜面積31 242.6 m2。上平巷標(biāo)高：-418.61～-424.83 m，下巷標(biāo)高：-485.93～-494.44 m。地面標(biāo)高+174.0～+172.0 m，工作面煤層平均厚度3.2 m，煤層傾角21°，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量13.1 萬t。

2213 東工作面地面全部為第四系沉積物所覆蓋，地形地貌為半緩階丘陵，西部平坦，東部起伏較大，西北部地勢較低，東南部較高。

2213 東工作面開采主要影響新泰市新汶街道辦事處中洛溝、東洛溝部分建筑物。中洛溝村東偏北在采空區(qū)上方地表建設(shè)有三棟5+1 層回遷樓，于2007 年建造兩棟、2010 年建造一棟。該樓房近東西走向布置，三棟樓房南北方向排列。經(jīng)調(diào)查，三棟住宅樓幾何尺寸一致，樓長30.24 m、寬12.54 m、高18.93 m，建筑面積1404 m2。每棟樓2 個(gè)單元，底層為車庫或儲(chǔ)藏室，共有居民60 戶。樓房為6層磚混結(jié)構(gòu)：一層為儲(chǔ)藏室，層高2.18 m；2～6 層為住宅，層高2.9m；閣樓最高處層高3.6 m。其基礎(chǔ)為鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，抗震設(shè)防烈度為7 度，基本地震加速度0.1 g，抗震等級三級，建筑場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為丙類，結(jié)構(gòu)安全等級二級，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級為乙級，砌體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制等級為B 級。當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓0.4 kN/m2，基本雪壓0.35 kN/m2，設(shè)計(jì)使用年限50 a。

2213 東工作面采用了覆巖離層注漿技術(shù)，自2022 年1 月5 日開始回采，于2022 年4 月20 日回采結(jié)束，采高3.2 m，實(shí)際采煤量9.86 萬t，煤層容重為1.38 t/m3，形成采空空間為79 420 m3。現(xiàn)場實(shí)施注漿孔的布置如圖1。

圖1 現(xiàn)場注漿觀測孔布置圖

2.2 鉆孔情況

2213 東工作面施工地面地質(zhì)探查孔1 個(gè)、注漿充填孔4 個(gè)，探查孔工程量549 m、充填孔工程量2 016.3 m。

探查孔為垂直孔，鉆孔深度549 m，距煤層120 m，取芯549 m。注漿充填1 號(hào)孔為垂直孔，鉆孔深度533 m，距煤層120 m，裸孔段48 m；2 號(hào)孔為定向孔，鉆孔深度514 m，距煤層135 m，裸孔段38 m；3 號(hào)孔為定向孔，鉆孔深度509.5 m，距煤層142 m，裸孔段37.5 m；4 號(hào)孔為定向孔，鉆孔深度459.8 m，裸孔段68.4 m，距煤層194 m。

2.3 注漿情況

截至4 月30 日，各孔累計(jì)注漿總量30 676 t（粉煤灰29 982 t，水泥694 t）。其中：1 號(hào)孔注漿量5786 t（粉煤灰5402 t，水泥384 t）；2 號(hào)孔注漿量5990 t（粉煤灰5680 t，水泥310 t）；3 號(hào)孔注漿粉煤灰量11 051 t；4 號(hào)孔注漿粉煤灰量7849 t。

4月10日工作面停采，4月17日3號(hào)孔口壓力3.9 MPa，4 號(hào)孔口壓力4.0 MPa，因注漿孔口壓力持續(xù)升高，如果壓力超過3 MPa 時(shí)間過長地面可能抬升，為保證地面安全，暫停注漿。4 月20 日工作面開始鋪網(wǎng)，預(yù)計(jì)上巷再推采14 m、下巷再推采12 m 結(jié)束。各孔注漿情況見表1。

表1 各注漿孔注漿情況

從圖1 和表1 中可以看出，截至2022 年4 月30 日，對東部開切眼附近區(qū)域進(jìn)行了注漿充填工作，注漿總量為60 950 m3。根據(jù)實(shí)際開采和注漿經(jīng)驗(yàn)來看，因工作面開采范圍較小，達(dá)不到充分采動(dòng)，離層發(fā)育空間有限，實(shí)際注灰量與設(shè)計(jì)注灰量有一定的偏差。根據(jù)中勘開采經(jīng)驗(yàn)，不同巖層、不同工作面注灰量占比不同，孫村煤礦為紅層地層條件下，實(shí)際注灰量達(dá)到20%以上即可滿足要求，目前實(shí)際注灰量占比30%，實(shí)際注漿量占采出煤炭體積的76.7%，符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 地面沉降觀測情況

為了充分反映地表移動(dòng)與變形規(guī)律，本次布設(shè)了兩條交叉走向觀測線和兩條平行傾向觀測線。一條沿洛溝路，另一條沿濱河大道。走向觀測線受鄰近采空區(qū)影響，布設(shè)26 個(gè)工作測點(diǎn)，長度約1800 m，貫穿整個(gè)2213 東工作面位置；受地形影響，傾向觀測線布設(shè)22個(gè)工作測點(diǎn)，一條布置在沉陷盆地內(nèi)，長度460 m，另一條沿洛溝轉(zhuǎn)盤道發(fā)展大道北方向長約480 m。2213 東工作面地表移動(dòng)觀測站觀測線布設(shè)示意圖如圖2。

圖2 2213 東工作面地表移動(dòng)觀測站觀測線布設(shè)示意圖

高程測量采用Trimble Dini03 電子水準(zhǔn)儀及條形碼水準(zhǔn)尺按三等水準(zhǔn)的測量規(guī)范要求進(jìn)行觀測。通過2021 年11 月12 日至2022 年11 月12 日一年連續(xù)進(jìn)行觀測，孫村煤礦2213 東工作面監(jiān)測區(qū)域地表未出現(xiàn)明顯沉降值，觀測最大下沉值39 mm，水平位移最大5 mm，無明顯傾斜變化，結(jié)合數(shù)據(jù)分析離層注漿充填效果良好。

3 結(jié)論

孫村煤礦2213 東工作面開采區(qū)域較小，距周邊工作面間多有遺棄煤柱，工作面區(qū)域相對獨(dú)立，從開采尺寸上判斷，屬非充分采動(dòng)，通過實(shí)施覆巖離層注漿充填開采技術(shù)，工作面開采引起的地表移動(dòng)變形值較小，地面建筑物破壞等級控制在Ⅰ級以內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)效果。本次試驗(yàn)結(jié)論對類似條件下解放建下壓覆資源，實(shí)現(xiàn)建下安全開采具有推廣借鑒意義。