倪建明

摘要：針對淮北礦區(qū)村莊壓煤嚴重、遷村采煤困難這一難題，結(jié)合淮北礦區(qū)地質(zhì)采礦條件，開展了“采動覆巖隔離注漿充填技術(shù)”試驗與應(yīng)用。分析了注漿充填的技術(shù)原理、設(shè)計方法與工程控制原則，將分析結(jié)果成功應(yīng)用于劉店煤礦1044工作面注漿充填工程中。通過實施注漿充填，共注入粉煤灰67 340 t，壓實注采比達29%。實測地表最大下沉0.149 m，注漿充填減沉率85.1%，建筑物沒有任何損壞，表明隔離注漿充填技術(shù)在不遷村采煤中有重要的應(yīng)用前景。目前，該項技術(shù)已在淮北礦區(qū)全面推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：不遷村采煤；部分充填；注漿充填；關(guān)鍵層；綠色開采

中圖分類號：TD823.7文獻標志碼：A[WT]文章編號：1672-1098（2014）03-0078-05

我國東部地區(qū)人口稠密，地面建筑物密集。對于地處東部的礦區(qū)而言，建筑物下壓煤一直以來都是無法回避的一個突出問題，特別是在衰老礦井，隨著煤炭資源逐漸枯竭，“三下”（建筑物下、鐵路下、水體下）壓煤開采勢在必行?！叭隆辈擅悍椒ㄓ袟l帶開采法、井下采空區(qū)充填法以及離層注漿等[1-2]。條帶開采法在解放我國“三下”壓煤中曾發(fā)揮了極為重要的作用，但是其采出率低、生產(chǎn)效率低、巷道掘進率高，目前已逐漸趨于淘汰。井下采空區(qū)充填法近年來在“三下”壓煤開采中受到了廣泛關(guān)注并開展了試驗，但是面臨采煤與充填相互干擾嚴重、生產(chǎn)效率低、充填成本高等問題，在目前嚴峻的經(jīng)濟形勢，煤礦企業(yè)普遍難以承受。傳統(tǒng)的離層注漿技術(shù)，減沉效果差，難以實現(xiàn)相鄰多工作面充分采動條件下不遷村采煤[3-6]?！安蓜痈矌r隔離注漿充填技術(shù)”是傳統(tǒng)的離層區(qū)注漿充填與寬條帶開采的組合技術(shù)，該技術(shù)可布置常規(guī)的長壁工作面，充填與采煤相互干擾少、生產(chǎn)效率高、不改變采煤工藝且成本低，為我國“三下”壓煤開采提供了一種新方法[7-8]。

淮北礦區(qū)位于安徽省北部，總面積9 600平方公里，主要分布在閘河、臨渙、宿州和渦陽四個礦區(qū)，現(xiàn)有24對生產(chǎn)礦井?；幢钡V區(qū)地處華東經(jīng)濟較發(fā)達區(qū)，井田范圍內(nèi)人口密集，地面村莊、城鎮(zhèn)建設(shè)及交通、水利設(shè)施等成為主要壓煤因素，總共壓煤約21.4億噸，約占總儲量的54.8%（見表1）。表1淮北礦區(qū)地面建筑物壓煤情況

村莊壓煤壓煤量/億噸占比%城鎮(zhèn)壓煤壓煤量/億噸占比%建設(shè)項目壓煤壓煤量/億噸占比%合計 壓煤量/億噸占比%18.447.21.74.31.33.321.454.8

淮北礦區(qū)煤種齊全，屬特低硫、低磷的優(yōu)質(zhì)煉焦用煤，但地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，是典型的“三軟”難采煤層。自1958年礦區(qū)開發(fā)建設(shè)以來，一直采用搬遷的方法開采地面建筑物壓覆資源。隨著地方經(jīng)濟的快速發(fā)展，遷村采煤的難度越來越大，費用高，周期長，地方、煤礦矛盾尖銳；復(fù)雜的地質(zhì)條件給遷村采煤帶來了巨大的經(jīng)濟風(fēng)險，特別是當?shù)孛娼ㄖ飰焊簿禄夭晒ぷ髅娌糠仲Y源時，遷村采煤明顯不經(jīng)濟。為解決上述問題，自2009年起開展了采動覆巖隔離注漿不遷村采煤技術(shù)的研究工作。

1基本原理和方法

1.1技術(shù)原理

該技術(shù)是部分充填采煤技術(shù)中的一種，是離層區(qū)注漿充填技術(shù)與寬條帶開采的組合。其原理是：設(shè)計工作面寬度并留設(shè)隔離煤柱，從而實現(xiàn)了回采工作面開采后處于非充分采動狀態(tài)，并通過地面鉆孔對采動覆巖離層區(qū)進行高壓注漿充填，在采空區(qū)中產(chǎn)生一定寬度的注漿充填壓實區(qū)，最終形成“覆巖結(jié)構(gòu)-隔離煤柱-充填壓實區(qū)”的承載結(jié)構(gòu)，維持采動后覆巖關(guān)鍵層的穩(wěn)定，限制采動覆巖結(jié)構(gòu)的彎曲量，從而達到控制并減小采動引起的地表沉陷量，進而實現(xiàn)了經(jīng)濟的不遷村采煤（見圖1）。圖1采動覆巖隔離注漿充填不遷村采煤技術(shù)原理

1.2設(shè)計方法

“采動覆巖隔離注漿充填技術(shù)”的關(guān)鍵是如何設(shè)計合理的注漿充填工作面采寬和隔離煤柱寬度。

1） 注漿充填工作面采寬設(shè)計。合理開采的工作面寬度必須確保開采后覆巖內(nèi)能夠產(chǎn)生充分的離層空間，使地面沉陷處于非充分采動狀態(tài)。結(jié)果表明[9]：關(guān)鍵層初次破斷前的離層發(fā)育較好、離層量較大，易于充填；關(guān)鍵層初次破斷后離層會逐漸減小且工作面中部逐漸趨于壓實狀態(tài)，采動引起的巖層移動會迅速傳遞到地表，引起地面沉降和建物破壞。因此，注漿充填工作面的采寬必須基于采動后關(guān)鍵層不破斷進行設(shè)計（見圖2）。

2） 隔離煤柱寬度設(shè)計[10]。合理的隔離煤柱寬度必須確保其穩(wěn)定性，并盡可能減少煤的損失?；趫D1所示的技術(shù)原理，隔離注漿充填開采的承載結(jié)構(gòu)模型可等效為條帶開采（見圖3）。圖2基于關(guān)鍵層不破斷的注漿充填工作面采寬設(shè)計方法

1.3注漿充填的工程控制

1） 地表沉降預(yù)測、采動后建筑物保護等級設(shè)定及充填率設(shè)計。首先進行地面建筑物現(xiàn)狀調(diào)查，根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)、用途設(shè)定保護級別，確定允許地表變形量；然后通過數(shù)值模擬或概率積分等方法，對采動后地面建筑物的破壞程度進行預(yù)測。根據(jù)設(shè)定的允許地表變形量，確定煤層開采后的離層區(qū)充填率。以劉店煤礦1044工作面為例，利用概率積分法對采后的地表下沉進行了預(yù)計（見圖4）。

2工業(yè)性試驗

劉店煤礦設(shè)計年產(chǎn)150萬噸，井田內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育，村莊密集，壓煤量大。1044綜采工作面走向長530 m，傾斜寬150 m；煤層厚度0.7～2.8 m，傾角7°～25°。地面標高+30.36 m，井下標高-638.1～-538.9 m?；夭煞秶鷥?nèi)地面有兩座村莊，410戶1 660人（見圖5）。村莊建筑物磚混結(jié)構(gòu)（一層）約占14%～20%，磚混結(jié)構(gòu)（二層部分含閣樓）約占20～22%，磚木結(jié)構(gòu)約占58 %，其它2%～5%。2009年7月～2010年7月采用地面鉆孔采動覆巖隔離注漿充填不遷村采煤的技術(shù)進行開采試驗，現(xiàn)已取得成功。

圖51044工作面巷道布置及村莊壓覆圖

采用概率積分法預(yù)測的1044工作面開采后地表最大下沉量1.0 m， 傾斜4.5 mm/m、 曲率0.052 mm/m2、 最大拉伸變形2.0 mm/m、最大壓縮變形5.0 mm/m，村莊部分建筑物處于Ⅲ級損壞。預(yù)計注漿充填后村莊建筑物可控制在Ⅰ級損壞以內(nèi)。

1044工作面回采范圍內(nèi)設(shè)計2個注漿充填鉆孔（見表2）。設(shè)計注漿站注漿能力600 m3/d，漿液水灰比按1.3∶1～1.84∶1控制，并根據(jù)實施情況進行調(diào)整。試驗期間，注漿壓力維持在4～6 MPa；水質(zhì)化驗表明，注漿水已混入工作面頂板淋水，采取了加快推進速度、降低注漿壓力、提高漿液濃度等措施。

表21044工作面注漿充填情況

孔號孔深/m終孔距煤層距離/m充填粉煤灰量/t 1#46514343 616 2#50513123 724

1044工作面共開采328天， 連續(xù)推進470.6 m，實際采高為3.0 m， 采空區(qū)體積約23.25 萬m3， 采出煤量40 萬t； 連續(xù)注漿248天， 共注入粉煤灰67 340 t，壓實注采比為29%。實測地表下沉量最大0.149 m，注漿充填減沉率85.1%，實現(xiàn)了不遷村采煤的目標（見圖6）。

3結(jié)語

截止2013年底，淮北礦業(yè)集團已累計在6個礦井14個工作面17個村莊下實現(xiàn)了注漿充填不遷村采煤，安全采出煤量500萬t，注漿充填費用為30元/（t煤），節(jié)省遷村費用約10.9億元，地表沉降控制在0.3 m以下，地面建筑物未出現(xiàn)任何破壞，摸索出了一種簡單易行、投資少、成本低的“三下”采煤的新方法，對類似條件下的不遷村采煤具有重要的推廣價值。

參考文獻：

[1]鐘亞平，高延法.唐山礦覆巖注漿減沉的工程實踐[J].礦山壓力與頂板管理，2001（4）：75-76.

[2]袁亮，李佩全，程功林，等.煤層群開采覆巖離層注漿減沉實驗與研究[J].煤礦開采，2001（1）：46-49.

[3]許家林，朱衛(wèi)兵，李興尚，等.控制煤礦開采沉陷的部分充填開采技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2006，23（1）：6-11.

[4]許家林，軒大洋，朱衛(wèi)兵.充填采煤技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]. 采礦技術(shù)，2011，11（3）：24-30.

[5]楊倫.對采動覆巖離層注漿減沉技術(shù)再認識[J].煤炭學(xué)報，2002，27（4）：352-356.

[6]高延法，鄧智毅，楊忠東，等.覆巖離層帶注漿減沉的理論探討[J].礦山壓力與頂板管理，2001（4）：65-67.

[7]許家林，錢鳴高.覆巖注漿減沉鉆孔布置的研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1998，27（3）：276～279.

[8]朱衛(wèi)兵，許家林，賴文奇，等.覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填減沉技術(shù)的理論研究[J].煤炭學(xué)報，2007，32（5）：458-462.

[9]許家林，錢鳴高，金宏偉.巖層移動離層演化規(guī)律及其應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報，2004，26（5）：632-636.

[10]許家林.煤礦綠色開采[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

（責任編輯：何學(xué)華 吳曉紅）