斷層影響下覆巖離層注漿技術研究及應用

成 浪

(冀中能源峰峰集團有限公司大社礦,河北 邯鄲 056000)

0 引言

“雙碳”目標下,煤炭仍承擔著我國能源供給的重大使命,發揮著戰略資源的作用[1-2]。隨著煤炭資源的開發,各礦區資源在逐漸減少,“三下”壓煤的問題日益凸顯[3-5],影響各礦區的發展。因此,為了能夠將村莊、道路等下方的煤炭資源,以最低的成本進行開采,國內外學者進行了大量豐富的研究,如采用合理布置回采工作面之間位置、錯距和開采順序,使一個工作面的地表變形與另一個工作面的地表變形互相抵消,以減少開采引起的地表動態和靜態變形,多工作面開采變形協調開采技術[6]、條帶開采技術[7]、以砂子、矸石或高水材料等為基料的充填開采技術[8-9]。

以上研究取得了較好的成果,但是從經濟上、實施便捷性以及減沉效率等角度,均不是最優方案。而近些年,覆巖離層注漿技術的研究,成為了國內諸多煤礦提高“三下”煤炭采出率、減少村莊搬遷率的重要技術[10-12],該技術通過向煤層開采后形成的離層孔間進行漿液充填,漿體析水被壓實后,承托起上覆巖層減少地面沉降,同時可實現礦井正常開采,具有良好的經濟效益和社會效應,逐步得到推廣和應用[13-14]。

本文以冀中能源峰峰集團大社礦921103工作面為例,進行覆巖離層注漿設計及減沉效果檢驗,并針對斷層影響下,對注漿設計進行了優化,為類似工程和科學研究的開展提供參考。

1 研究概況

大社礦位于峰峰礦區東北部,該礦設計生產能力90萬t/a,礦井經過50多年連續高強度生產后實際可采儲量已接近枯竭,實施了政策性破產,依據相關批復2013年重組成立大社礦繼續開采本區殘余的煤炭資源。2020年大社礦礦井改、擴建后,核定生產能力為150萬t/a。目前該礦井主采2號煤層,平均厚度5.5 m。

921103工作面屬于十一盤區,位于大淑村村莊下方,推進長度347 m,工作面長157 m,煤層平均傾角10.5°,平均煤厚5.5 m,工作面南側下方約30 m,為941103工作面,采高1.3 m,已經采完10 a,工作面東南側為921102工作面,于2021年完成采煤工作,并進行了注漿充填,工作面北側為未開采區域,見圖1。921103工作面計劃使用“覆巖離層注漿充填”技術保護上覆村莊,確保井下采煤。

2 覆巖離層注漿設計

2.1 覆巖離層注漿適宜性分析

1)地質條件。工作面埋深普遍較大,達到埋深506 m～559 m,平均532 m,基巖厚度501 m～554 m,平均527 m,覆巖中存在多層厚度達12 m～27 m的砂巖關鍵層,為實施注漿充填提供了極為有利條件。

2)開采條件。該工作面正下方4號煤層開采了1個50 m的條帶,由于煤層厚度僅1.3 m,且采空區位于921103工作面煤層底板,對覆巖可注性幾乎不會產生影響,因此工作面符合覆巖隔離注漿充填開采技術所要求的煤層條件。

3)外部條件適宜性。地面充填泵站建設:工作面地面地勢平坦,且靠近幾條公路,具備充填站建設條件。

供水條件:該區地層含水量充足,完全滿足注漿工程用水要求。

供電條件:工作面靠近生產生活區域,具備優越的供電條件。

粉煤灰供應條件:礦井附近具備多個電廠,具備保證粉煤灰持續供應的條件。

綜上,921103工作面具備覆巖離層注漿的技術條件及外部條件。

2.2 覆巖離層注漿設計

1)注漿層位的選取。選取煤層頂板上方12 m～101 m范圍內3個位置,對煤層頂板單軸抗壓強度進行檢測,檢測結果見表1。

表1 煤層頂板巖層單軸抗壓強度

根據檢測單軸抗壓強度數據,煤層頂板巖性屬中硬,采用經驗公式對垮落帶及導水裂隙帶高度進行計算。

垮落帶高度經驗公式見式(1):

(1)

得12.26+2.2=14.46 m。

導水裂隙帶高度經驗公式見式(2):

(2)

(3)

將采厚代入式(2)、式(3)后,分別得導水裂隙帶高度為49.95 m,56.90 m。

根據經驗公式計算結果,均取最大數值,垮落帶高度為14.46 m,導水裂隙帶高度為56.9 m。

為保證離層注漿的安全實施,防止離層區與導水裂隙帶之間貫通,需要留設一定厚度的耐壓隔漿保護層,防止漿液潰入井下,特別是離層注漿為高壓注漿,根據峰峰礦區相關礦井經驗,保護層厚度取8倍煤厚即44 m,因此注漿層位選擇在煤層頂板以上100 m位置。

根據選取的注漿層位和關鍵層的分析,并結合921102工作面注漿設計及施工經驗,綜合確定2號煤頂板以上100 m～175 m段為注漿層位段。

2)鉆孔布置及鉆孔結構。本次共設計6個注漿鉆孔,因工作面北側低南側高,為保證漿液均勻擴散至整個離層孔間,因此將鉆孔略向南移動15 m～30 m,這樣布置有利于漿液在離層中的流動,有利于提高注漿量,鉆孔平面布置見圖2。

本次設計鉆孔漿液擴散半徑按照通用式(4)計算。

(4)

代入煤厚得到擴散半徑為211 m～225 m,沿工作面開采方向相反的位置,擴散半徑按照開采方向一般考慮,即取值為105.5 m～112.5 m。所以鉆孔間距W≤R可滿足條件。

根據前期本礦其他工作面離層注漿經驗,以及相關研究經驗公式,本次設計注漿孔間距為50 m～70 m,確保漿液交圈,離層孔間得到良好充填。

本次鉆孔采用三開結構:

一開:φ311 mm下φ244.5 mm×8.94 mm孔口管;

二開:φ216 mm下φ177.8 mm×8.05 mm套管;

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三開:φ110 mm裸孔下φ73.02 mm×5.51 mm或φ88.9 mm×6.45 mm孔內注漿管,或者根據實際情況三開裸孔注漿。

鉆孔結構如圖3所示。

3)注漿壓力。注漿壓力應不小于注漿充填層位以上地層的自然地壓,保證地表穩定。其原理是為了控制上覆關鍵層的下沉,注漿壓力必須大于覆巖自重力。注漿壓力表示為:

P注≥P地。

其中,P注為注漿充填壓力,MPa;P地為注漿充填層以上地層自然壓力,MPa。在實際施工中,可以通過控制注漿充填鉆孔上口的注漿壓力P孔來實現地表沉降的控制。

P孔=P注-H1γ1≥P地-H1γ1=H1(γ-γ1)。

其中,H1為地表到注漿充填層位的孔深,921103工作面為410 m～440 m;γ為注漿充填層以上地層的綜合比重,25 kN/m3;γ1為充填漿液的比重,13 kN/m3。

計算得注漿孔口壓力為P孔=4.9 MPa～5.3 MPa。參考本礦井注漿經驗,注漿孔孔口壓力不宜大于5 MPa。正常回采過程中,根據工作面推進和具體注漿量進行動態調整。

3 斷層影響下注漿鉆孔優化及地表變形監測

3.1 斷層影響注漿鉆孔優化

921103工作面在離層注漿期間,地表總計布置三條監測線,沿工作面走向兩條、工作面傾向一條,如圖4所示。

圖5為注1—注3孔注漿情況,三個孔平均日注漿量分別為510.87 t,343.19 t,357.79 t,累計注漿量分別為17 880.43 t,30 200.31 t,22 898.66 t,注采比達40.5%,注漿過程中地表下沉得到良好的控制,但是工作面東北區域部分監測點階段下沉值仍然較大。

經過進一步技術分析,因921103工作面南側揭露一條斷層,斷距達5 m～16 m,受F49斷層影響,使得該區域下部注漿段沒有得到較好充填加固,故部分監測點階段下沉值增大。故在此基礎上,對注5孔、注6孔鉆孔位置進行了優化,并增加一個注4-1鉆孔,如圖4所示,確保整個注漿段離層孔間得到全方位良好充填。

圖6為優化后,剩余4個鉆孔注漿情況。

從圖6中可以看出,優化后的鉆孔平均注漿量相比注1孔—注3孔有明顯提升,平均日注漿量提升38%,注采比達到51%,4個孔累計注漿12.86萬t。

3.2 地表變形監測及綜合效果評述

圖7—圖9分別為三條監測線在整個注漿期間地表下沉情況。

從圖中可以看出921103工作面在實施離層注漿期間,A-A′測線地表最大下沉值為811 mm,平均最大下沉值為535 mm,B-B′測線地表最大下沉值為364 mm,平均最大下沉值為203 mm,C-C′測線地表最大下沉值為355 mm,平均最大下沉值為220 mm。在監測后期,對后續鉆孔孔位調整及優化以后,從圖中可以看出階段下沉值得到較好控制,最后趨于穩定。

結合注漿工程及地表下沉監測情況分析可知,921103工作面在實施覆巖離層注漿期間,單孔平均注漿量2.84萬t,平均注采比45.8%。針對注漿期間地表變形監測情況,科學分析研究地質條件,靈活調整鉆孔布置,地表下沉得到良好的控制,達到預期目標。

4 結論

1)從地質條件、開采條件及外部條件適宜性等方面綜合分析,確定大社礦921103工作面可實施覆巖離層注漿工程。

2)計算出921103工作面導水裂隙帶高度為56.9 m,并結合礦井實際情況,確定921103工作面離層注漿層位為煤層頂板以上100 m～175 m,通過計算并結合實際情況,確定鉆孔間距為50 m～70 m,孔口最大注漿壓力為5 MPa。

3)結合地質條件,優化鉆孔布置,921103工作面最終注漿量為19.87萬t,單孔平均注漿量為2.84萬t,注采比45.8%。地表變形監測結果表明,最大下沉值811 mm,平均下沉值331 mm。

覆巖離層注漿技術在大社礦得到較好的推廣和應用,保證了礦井順利接續生產,實現了不搬遷采煤技術,保證了井下采煤工作,經濟效益及社會效益顯著。