張少山

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)股份有限公司，山西 晉城 048100）

1 工程概況

山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)晶鑫煤業(yè)股份有限公司位于山西省陽(yáng)城縣鳳城鎮(zhèn)臥莊村，現(xiàn)階段進(jìn)行3#煤層的采掘工作，煤層厚度(最大-最小/平均)4.80～2.47/3.65m，煤層傾角（最大-最小/平均）3～0/2°，煤層硬度f(wàn)=4，煤層節(jié)理（發(fā)育程度）不發(fā)育，煤層多為黑、灰黑色，條痕呈灰黑色具強(qiáng)玻璃光澤，節(jié)理和內(nèi)生裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)均勻，性脆易碎，即將進(jìn)行回采的3133工作面地面標(biāo)高為+681～710m，井下標(biāo)高+587～596m，井下相對(duì)位置：東側(cè)為實(shí)體煤，南部為3131工作面（正在回采），西側(cè)為三采區(qū)運(yùn)輸大巷，北部為規(guī)劃的3135工作面（未掘），該工作面地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)斷層、陷落柱、褶曲、裂隙、火成巖浸入等，煤層賦存比較穩(wěn)定，屬簡(jiǎn)單穩(wěn)定近水平煤層。地層走向變化不大，對(duì)采掘影響不大。3313工作面開切眼側(cè)被地面一座鋼廠所覆蓋，詳情如圖1所示，受影響儲(chǔ)量為112.5萬(wàn)t，而參考3131工作面開采期間地面沉陷特征，預(yù)計(jì)3133工作面回采將引起地面下沉量達(dá)到2.5m以上，為開采鋼廠下方的煤體，需采取適當(dāng)?shù)闹卫泶胧?/p>

圖1 3133工作面井上下對(duì)照?qǐng)D

2 地面構(gòu)筑物下覆巖隔離注漿充填開采技術(shù)原理

晶鑫煤業(yè)3133工作面采用全部垮落法管理頂板工藝進(jìn)行開采，將引起地面嚴(yán)重沉陷，影響地面鋼廠等構(gòu)筑物，傳統(tǒng)的注漿開采工藝僅能減緩地面的沉陷，但并不能從根本上控制地面的下沉，對(duì)于此類問(wèn)題目前最新的解決方法為覆巖隔離注漿充填開采技術(shù)，該技術(shù)是在傳統(tǒng)的充填開采和條帶開采的基礎(chǔ)上提出的，其原理如圖2所示，采煤工作面回采后，采空區(qū)中部將形成重新壓實(shí)區(qū)，通過(guò)注漿對(duì)采空中部上覆巖層進(jìn)行加固，利用關(guān)鍵層的承載特性使采空區(qū)中部上覆巖層具有良好的支撐能力，在區(qū)段煤柱的共同支撐作用下控制地表的沉陷。

圖2 覆巖隔離注漿充填示意圖

3 3133工作面覆巖隔離注漿充填方案設(shè)計(jì)

3.1 注漿層位分析

根據(jù)覆巖隔離注漿充填開采技術(shù)原理可知，高壓漿液主要注入對(duì)象為采空區(qū)上覆巖層“彎曲下沉帶”范圍內(nèi)的關(guān)鍵層下方，因此首先需要對(duì)3133工作面上覆巖層的關(guān)鍵層進(jìn)行判別，關(guān)鍵層的顯著特點(diǎn)為具有良好的承載性能，關(guān)鍵層更為堅(jiān)硬，關(guān)鍵層下沉?xí)r其上覆巖層將與其同步下沉，關(guān)鍵層發(fā)生破斷時(shí)，上覆巖層將同步破斷，關(guān)鍵層不會(huì)對(duì)其下部巖層產(chǎn)生載荷，假設(shè)第1層巖層為關(guān)鍵層，該關(guān)鍵層控制n層巖層，若第n+1層巖層為關(guān)鍵層，則必然有qn+1＜qn，qx為第x層巖層對(duì)關(guān)鍵層施加的載荷，其計(jì)算公式（1）：

式中：Ei、γi、hi分別表示巖層的彈性模量、容重、厚度，將各個(gè)巖層的相關(guān)參數(shù)代入式（1），并通過(guò)qn+1＜qn進(jìn)行判別，最終確定3133工作面覆巖關(guān)鍵層：第一層距煤層頂面12m，第二層距煤層頂面46m，第三層距煤層頂面68m。3133工作面采高為3.65m，采空區(qū)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為11倍的采高，則可知導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為40.15m，為防止?jié){液通過(guò)導(dǎo)水裂隙帶滲流至采空區(qū)，發(fā)生跑漿現(xiàn)象，注漿層位與導(dǎo)水裂隙帶間需多留設(shè)20m厚的保護(hù)巖層，所以注漿層位應(yīng)距煤層頂面60.15m以上，第三層關(guān)鍵層距煤層頂面68m，滿足要求，因此將注漿層位設(shè)置在距煤層頂面68m作用的第三層關(guān)鍵層下方。

3.2 確定注漿材料及濃度

覆巖隔離注漿充填技術(shù)主要原理為漿液充填關(guān)鍵層與下方巖層間的空間，高壓漿液在封閉空間充滿后即可支撐上部巖層、壓實(shí)下部巖層，因此充填漿液并不需要很強(qiáng)的物理力學(xué)特性，具備以下特點(diǎn)即可：①具有良好的流動(dòng)性；②漿液塑性粘度增長(zhǎng)緩慢，漿液不會(huì)迅速凝固導(dǎo)致堵管等問(wèn)題；③材料廣泛、廉價(jià)；④漿液泌水后收縮量??；⑤漿液無(wú)毒、無(wú)污染。綜合以上特點(diǎn)，決定采用粉煤灰作為3133工作面覆巖隔離注漿材料。塑性粘度對(duì)于漿液的流動(dòng)性、凝固時(shí)間、充填效果具有顯著影響，因此可根據(jù)不同濃度漿液塑性粘度的變化來(lái)確定合理的漿液濃度，參考相關(guān)的研究成果，8種粉煤灰漿液的塑性粘度隨其濃度的變化規(guī)律如圖3所示，當(dāng)漿液濃度小于0.6時(shí)，塑性粘度增長(zhǎng)緩慢，濃度大于0.7時(shí)，塑性粘度迅速增大，因此通常漿液濃度應(yīng)選擇在0.6～0.7之間，考慮到3313工作面存在較多斷層，漿液較低時(shí)存在較大的跑漿風(fēng)險(xiǎn)，因此設(shè)計(jì)漿液濃度為0.7。

圖3 不同濃度條件下漿液塑性粘度變化

3.3 地面鉆孔位置

晶鑫煤業(yè)3133工作面開切眼附近煤體被地面鋼廠壓覆，屬于工作面部分壓煤，不需要對(duì)整個(gè)工作面覆巖進(jìn)行充填，僅需對(duì)可能影響地面構(gòu)筑物的區(qū)域進(jìn)行充填，所以3313工作面僅需對(duì)工作面切眼及壓煤線之間的區(qū)域進(jìn)行充填。注漿鉆孔的布置方式可分為單孔、雙孔兩種，單孔布置具有工程量少、成本低等優(yōu)勢(shì)，但是容易發(fā)生堵孔導(dǎo)致設(shè)計(jì)的填充區(qū)域無(wú)法注實(shí)，充填效果無(wú)法保證。雙孔注漿的優(yōu)勢(shì)在于，當(dāng)一個(gè)注漿孔出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象后，可通過(guò)同組第二個(gè)鉆孔繼續(xù)注漿，使注漿效果更有保證，因此確定采用雙孔注漿工藝。參考類似地質(zhì)條件下的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[2-3]，確定注漿壓力為8MPa，注漿鉆孔的擴(kuò)散半徑與注漿壓力、注漿時(shí)機(jī)、漿液濃度等因素密切相關(guān)，準(zhǔn)確的確定漿液的擴(kuò)散半徑較困難，通過(guò)工程類比設(shè)計(jì)3133工作面采用五組注漿鉆孔，每組兩個(gè)鉆孔間距20～40m，組與組間間距100～200m，鉆孔布置詳情如圖4所示。

圖4 注漿鉆孔布置示意圖

4 應(yīng)用效果模擬分析

根據(jù)晶鑫煤業(yè)3133工作面附近鉆孔柱狀圖及各個(gè)巖層的參數(shù)，采用Udec模擬軟件建立相應(yīng)的數(shù)值模型[4]，模型寬度為1500m，高度為180m，模型X軸方向?yàn)楣ぷ髅骈L(zhǎng)度方向，Y軸方向?yàn)樨Q直方向，3133工作面長(zhǎng)度為160m，采高為3.65m，上覆巖層總厚度為110m，其中松散層厚度為30m，共三層關(guān)鍵層，注漿鉆孔布置在工作面中部，煤層和巖層本構(gòu)模型采用摩爾--庫(kù)倫模型，模式方案：將煤層一次挖出，采用pfix命令對(duì)第三層關(guān)鍵層下方進(jìn)行注漿，向離層區(qū)域施加壓力模擬漿液充填，煤層開挖和漿液充填同時(shí)進(jìn)行，在模型頂面布置測(cè)線監(jiān)測(cè)地面的位移情況，整理得到圖5所示結(jié)果。

圖5 3133工作面開采后地面沉降量變化規(guī)律

根據(jù)圖5所示結(jié)果可以看出，晶鑫煤業(yè)3133工作面采用覆巖隔離注漿充填開采后，引起地面以工作面中部為中心對(duì)稱下沉，地面最大沉降量為391mm，最大傾斜值為±1.7mm/m，地面沉降量較小，根據(jù)建（構(gòu)）筑物損壞等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，地表變形的傾斜值i≤3.0mm/m，損壞分類為極輕微損壞，建筑物處于I級(jí)的損壞等級(jí)，地面構(gòu)筑物處理方式為不修，地面構(gòu)筑物基本不會(huì)發(fā)生損壞。綜上可知，采用覆巖隔離注漿充填技術(shù)能夠有效避免3133工作面開采影響地面鋼廠的穩(wěn)定，解放壓煤量112.5萬(wàn)t，在開采的同時(shí)保護(hù)鋼廠。

5 結(jié)論

參照晶鑫煤業(yè)3131工作面開采地面沉降特征，預(yù)計(jì)3133工作面采用傳統(tǒng)的回采工藝將影響地面鋼廠的穩(wěn)定性，因此提出采用覆巖隔離注漿充填技術(shù)來(lái)控制地表的下沉，根據(jù)覆巖隔離注漿充填開采技術(shù)原理確定注漿層位，通過(guò)分析計(jì)算確定注漿位置為距離煤層頂面68m的第三層關(guān)鍵層下方，選擇粉煤灰作為注漿材料，確定合理漿液濃度為0.7，設(shè)計(jì)雙孔注漿工藝，確定注漿鉆孔的布置間距和注漿壓力，通過(guò)數(shù)值模擬研究考察方案的可行性，3133工作面采用覆巖隔離注漿充填技術(shù)回采后，地面最大沉降量為391mm，建筑物處于I級(jí)的損壞等級(jí)，損壞分類為極輕微損壞，在開采的同時(shí)保護(hù)了地面鋼廠。