大社礦覆巖隔離注漿合理層位高度

趙 勇,申扎根

(冀中能源峰峰集團有限公司大社礦,河北 邯鄲 056000)

0 引言

據統計,中國生產礦井中建筑物下壓煤約占“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)壓煤的2/3。由于部分礦區資源的逐漸枯竭,特別是對平原地區而言,土地資源日益緊張和征遷費用不斷提高。因此,知道如何低成本回收建筑物下煤炭資源,對提高煤炭資源回采率、緩解礦井資源緊張局面具有重大意義。

覆巖隔離注漿充填技術是一種高效低成本的充填技術,技術原理是設計合理的工作面采寬并留設一定寬度的隔離煤柱控制相鄰工作面均處于非充分采動狀態,通過地面鉆孔高壓注漿充填離層區,最終形成“充填壓實區-隔離煤柱-關鍵層”承載結構共同承擔覆巖載荷,達到減小煤柱寬度,提高工作面煤層采出率,以及控制地表下沉量的目的。因此,覆巖隔離注漿充填技術優勢明顯,技術應用廣泛。

目前國內外學者進行了大量研究:周為軍、王輝、李濤等[1-3]針對煤礦覆巖注漿技術展開現場應用研究,從實施工藝到充填方案以及監測效果等展開了詳細研究;周正兵、軒大洋等[4-5]采用覆巖隔離注漿充填技術,通過理論分析、數值計算、仿真模擬等方法,確定隔離注漿的層位、注漿材料、漿液濃度等參數;袁猛、王超超、張亮等[6-8]介紹了覆巖隔離注漿充填采煤方法的原理,分析了覆巖隔離注漿充填不遷移地表建筑物的經濟效益與社會效益分析;劉旺、許家林、秦小云、劉洋、王金紅等[9-13]對覆巖隔離注漿充填機理以及關鍵應用技術開展深入研究,取得顯著效果。

上述研究主要集中在覆巖注漿充填機理、工藝流程、技術應用等方面。但是針對注漿參數對地表沉陷控制效果的影響規律研究較少,主要研究注漿層位對地表沉陷控制效果的影響規律,利用3DEC數值模擬軟件為研究手段,開展不同覆巖注漿層位高度(220 m、240 m、260 m、280 m、300 m、320 m)條件下覆巖隔離注漿充填地表最大下沉量以及地表傾斜效果的研究,分析得出大社礦合理的覆巖注漿層位高度,進而指導現場工作。

1 工作面概況

921102工作面位于三水平十一盤區,北至921103工作面(設計),南至921101工作面,東至十一盤區軌道,西至東北翼軌道及回風道。工作面開采2號煤層,煤層傾角3°～15°,平均8°。該煤層屬穩定煤層,結構復雜。含有兩層次煤條帶,兩層夾矸,上層夾矸距頂0.3～0.5 m,厚0.05 m,下層夾矸距煤層底板1.5 m,厚0.1～0.2 m,累計厚度約5.8 m。

受斷層影響,工作面不規則,切眼側面寬50.8 m(含兩巷),停采線側面寬158 m(含兩巷),走向長473.8 m,可采儲量49.4萬t。工作面地面標高+202.3～+216.2 m,工作面標高-243～-320 m,埋深445～532 m,平均473 m,其中松散層厚35 m,基巖厚度410～497 m,平均438 m。工作面開采面臨的難題是地面大淑村壓煤開采。

2 覆巖隔離注漿工藝

覆巖隔離注漿充填不遷村采煤的工藝流程為:將電廠粉煤灰通過水泥罐車運輸至地面一級注漿站,并存放于立罐中。立罐中的粉煤灰通過氣泵高壓輸送至一級注漿站的一級攪拌池進行攪拌制漿,然后流入二級攪拌池進行二級攪拌,最后通過泵房內的注漿泵將二級攬拌池內的漿體壓入輸送管路,然后進入鉆孔進行注漿充填。如圖1所示。

圖1 注漿充填系統示意Fig.1 Grouting filling system

3 不同注漿層位高度的模擬方案

以往研究人員為了安全考慮,注漿層位的選取原則是位于覆巖導水裂隙帶以上并且附加一定的安全距離。根據覆巖離層的動態演化機理可知,離層的發育層位越高,破碎巖體碎脹效應越明顯,離層開度相應減小,導致注采比的減少,使減沉效果變差。注漿層位高度的降低可以增加注采比,但是對工作面的涌水威脅和鉆孔成本增加也同樣不可忽略。因此,固定開采工作面寬度W=160 m,工作面高度M=5.8 m。設計了6個注漿層位高度方案,注漿層位高度由220 m增加至320 m,增加梯度為20 m,具體方案見表1,注漿層位高度-覆巖垂直位移云圖如圖2所示。

表1 注漿層位高度方案Table 1 Scheme of grouting layer height

圖2 注漿層位高度-覆巖垂直位移云圖Fig.2 Grouting layer height-overburden rock vertical displacement nephogram

不同注漿層位高度的覆巖沉降云圖與粉煤灰分布形態如圖2所示。從采場的傾斜方向上的剖面看,離層內充填的粉煤灰與離層的形狀類似,呈現上平下凸的“凸透鏡狀”;隨著注漿層位高度的升高,導致注采比的降低,地表沉降量與沉降影響范圍逐漸擴大,而且粉煤灰充填體的厚度也逐漸減小。

不同注漿層位高度的地表沉降曲線如圖3所示。隨著注漿層位的降低,下沉量也在減小,當注漿層位高度由320 m降低至220 m時,地表最大下沉量由1047 mm降低至527.7 mm,地表下沉系數由0.19降低至0.09。

圖3 注漿層位高度-地表下沉曲線Fig.3 Grouting layer height-surface subsidence curve

由圖4和圖5可知,隨著注漿層位高度的升高,地表最大沉降量和地表傾斜變形值都隨之增大,而且呈指數關系,注漿層位高度與下沉量數值模擬擬合曲線為y=5.4×10-4e(x/45.8)-0.46;注漿層位高度與地表傾斜變形值數值模擬擬合的曲線為y=5.54×10-4e(x/36.45)+2.32。模擬結果表明,當工作面寬度為160 m,注采比為46.2%,注漿層位高度小于268 m時,地表傾斜變形能控制在3 mm/m以下,地表構建筑物損壞范圍控制在I級內。

圖4 注漿層位高度-最大沉降量曲線Fig.4 Grouting layer height-maximum settlement curve

圖5 注漿層位高度-地表傾斜變形曲線Fig.5 Grouting layer height-surface tilt deformation curve

4 工業性試驗

921102工作面覆巖隔離注漿充填技術,地面共設計6個注漿鉆孔,如圖6所示。由于受地面民房影響,除注3孔以外均需施工定向斜孔。注漿充填鉆孔皆采用三段成孔結構,1號孔、2號孔、3號孔一開用311 mm孔徑開孔,下245 mm套管,二開用216 mm孔徑鉆進,下178 mm套管,二開以下為110 mm裸孔注漿段;4號孔、5號孔、6號孔一開用216 mm孔徑開孔,下178 mm套管,二開用152 mm孔徑鉆進,下139 mm套管,二開以下為110 mm裸孔注漿段,注漿鉆孔結構見表2。

表2 921102工作面注漿鉆孔結構Table 2 Grouting borehole structure of 921102 working face

圖6 921102工作面鉆孔布置Fig.6 Borehole layout of 921102 working face

注漿材料:921102工作面為保證注漿充填沉陷控制效果及防止跑漿,需嚴格控制注漿漿體濃度≥75%。宜選擇罐裝粉煤灰作為灰源,滿足Ⅲ級灰質要求。按照921102工作面儲量約46萬t,估算工作面需注灰量約15萬t。需指出,由于在大淑村煤柱內,921102工作面下伏的4號煤層(煤層間距32 m)共計5個工作面開采,包括941103、94609、94607、94118、94117。其中,941103工作面位于921102工作面正下方,為條帶工作面,采高1.3 m,采寬52.5 m,走向長度887 m,該條帶與921102工作面斜交,注灰量可能會有所加大。

注漿壓力控制:注漿前期以工作面回采位置與注漿鉆孔的相對位置關系控制注漿壓力,正常回采過程中,再根據工作面推進和具體注漿量進行調整。設計孔口注漿終壓為4.1～4.6 MPa。

注漿濃度:應減小注漿水含量以高濃度注漿為主,并盡快到達所需要的注采比要求,控制地表下沉量。為了防止漿體沿斷層潰出,注漿充填期間應嚴格控制漿體濃度在75%以上,并保證注漿充填的連續性,禁止不必要的壓水。

注漿工藝流程:注漿設備的安裝與調試、相關大臨工程施工→沖洗注漿孔→注漿系統試運轉并做耐壓試驗→壓水試驗→造漿壓注→觀測、記錄與情況分析→注后壓水(試驗)→拆洗注漿系統、透孔。以上為一個完整的注漿循環,可視實際情況進行多次。

地表觀測:工作面開采后預計大淑村村莊民房區產生的地表最大下沉值為1 025 mm;地表東西方向水平變形值為-3.9～+1.9 mm/m;地表南北方向水平變形值為-4.38～+1.98 mm/m;地表東西方向傾斜值為-5.3～+1.95 mm/m;地表南北方向傾斜值為-5.94～+4.96 mm/m;地表東西方向水平移動值為-321～+225 mm;地表南北方向水平移動值為-359～+411 mm。

5 結論

(1)分析覆巖離層注漿技術優勢,建立覆巖離層注漿數值計算模型,模擬充填材料對覆巖關鍵層的支撐作用,分析注漿離層高度對地表減沉和地表傾斜的影響規律。

(2)隨著注漿層位高度的增大,能夠使地表最大沉降量和地表傾斜變形值增加,注漿層位高度與下沉量數值模擬擬合曲線為y=5.4×10-4e(x/45.8)-0.46;注漿層位高度與地表傾斜變形值呈指數關系,擬合方程為y=5.54×10-4e(x/36.45)+2.32。

(3)921102工作面采用覆巖隔離注漿充填技術,實測地表最大下沉量與數值模擬結果基本一致,具有一定參考價值。