周正兵

(山西呂梁中陽(yáng)付家焉煤業(yè)有限公司,山西 呂梁 033400)

近年來(lái)煤體開采規(guī)模擴(kuò)大，一些礦井出現(xiàn)了地表建筑物壓煤的問(wèn)題，給礦井生產(chǎn)接續(xù)造成了一定的困難[1-2]。如何在不破壞地表建筑物的情況下，實(shí)現(xiàn)煤體安全高效綠色開采成為了困擾現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的難題之一。隨著采空區(qū)充填開采技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了覆巖隔離注漿充填開采技術(shù)，該技術(shù)可以減小上覆巖層關(guān)鍵層的穩(wěn)定性，降低地表沉降，提升經(jīng)濟(jì)效益[3-5]。

1 工程概況

付家焉煤業(yè)一采區(qū)位于井田北部，開采4煤和10煤，其中4煤局部可采，主采10煤。10煤已回采10101工作面，正在回采10107工作面。10107工作面寬158.6 m，采用放頂煤開采工藝，煤厚平均6 m。10106為10107接替工作面，兩面間留設(shè)30 m 煤柱，西側(cè)為實(shí)體煤。10106 工作面寬194.5 m，走向1 152.3 m，煤厚平均5.53 m，煤層傾角平均11°，因中陽(yáng)縣待修運(yùn)煤公路橫穿整個(gè)一采區(qū)，公路兩側(cè)留設(shè)了保護(hù)煤柱，寬度約450～490 m，估算壓煤量1 500萬(wàn)t。10106工作面公路壓煤區(qū)域煤層底板標(biāo)高+714～+782 m，地面標(biāo)高+980～+1 053 m，埋深223～339 m，平均272 m。10106工作面對(duì)應(yīng)地表為山地，地形起伏，且公路位于山溝內(nèi)，基巖裸露，其他區(qū)域松散層厚度平均約40 m。

10106工作面局部被待修運(yùn)煤公路所壓覆，壓煤量101萬(wàn)t(壓覆區(qū)域走向703 m，采高 5.53 m，煤容重1.41 t/m3)。若公路壓煤棄采，會(huì)造成煤體資源嚴(yán)重浪費(fèi)且嚴(yán)重影響礦井的正常生產(chǎn)接續(xù)，因此付家焉煤業(yè)決定對(duì)10106工作面采用覆巖隔離注漿填充開采技術(shù)，進(jìn)一步控制待修公路區(qū)域的下沉量，實(shí)現(xiàn)安全綠色開采。

2 覆巖隔離注漿充填技術(shù)原理

覆巖隔離注漿充填綠色開采技術(shù)是一種高效低成本部分充填開采技術(shù)，基本原理是：找出控制地表沉陷的關(guān)鍵層，基于關(guān)鍵層不破斷設(shè)計(jì)合理的注漿充填開采參數(shù)，在關(guān)鍵層破斷前，通過(guò)地面鉆孔向其下方封閉的離層腔體高壓注漿充填，產(chǎn)生“壓下托上”作用，將關(guān)鍵層下方碎脹巖體壓實(shí)形成支撐體，阻止關(guān)鍵層破斷，控制地表沉陷，從而保障地面建(構(gòu))筑物安全，實(shí)現(xiàn)不搬遷開采的目的，技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 技術(shù)原理示意

3 工作面覆巖隔離注漿充填方案

3.1 注漿充填技術(shù)適用性評(píng)價(jià)

基于覆巖隔離注漿充填開采技術(shù)原理及其基本適用條件，結(jié)合付家焉煤業(yè)10106 工作面基本開采技術(shù)條件和建(構(gòu))筑物的分布情況，對(duì)工作面采用覆巖隔離注漿充填技術(shù)的可行性進(jìn)行分析。

3.1.1 工作面開采條件

從現(xiàn)有開采情況來(lái)看，10106 工作面寬194.5 m(含兩巷)，滿足注漿充填要求，采高約5.53 m，該類似條件已經(jīng)在其它礦井得到了成功應(yīng)用。

3.1.2 基巖厚度條件

待修運(yùn)煤公路壓煤區(qū)域的埋深普遍較小，埋深223～339 m，平均272 m，基巖最小厚度僅223 m，在 10106工作面寬194.5 m、采高5.53 m的條件下，該基巖厚度偏小，若實(shí)施注漿充填，存在地面跑漿風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.3 外部條件

待修運(yùn)煤公路兩側(cè)壓煤區(qū)域地形復(fù)雜，局部區(qū)域落差較大，對(duì)鉆孔施工造成較大影響，將增加修路和定向鉆孔施工的成本，其余注漿需要的場(chǎng)地、水電、粉煤灰原材料等條件具備。

綜上所述，在10106工作面寬194.5 m、采高5.53 m的條件下，基巖厚度嚴(yán)重偏小，雖可嘗試實(shí)施注漿充填，但存在地面跑漿導(dǎo)致地表沉陷偏大的風(fēng)險(xiǎn)。地表局部地勢(shì)起伏較大，影響鉆孔的施工，但工作面適用覆巖隔離注漿充填開采技術(shù)。

3.2 注漿充填工藝

覆巖隔離注漿充填開采技術(shù)的工藝流程見圖2所示，將電廠粉煤灰通過(guò)水泥罐車運(yùn)輸至地面一級(jí)注漿站，并存放于立罐中。立罐中的粉煤灰通過(guò)氣泵高壓輸送至一級(jí)注漿站的一級(jí)攪拌池進(jìn)行攪拌制漿，然后流入二級(jí)攪拌池進(jìn)行二級(jí)攪拌，最后通過(guò)泵房?jī)?nèi)的注漿泵，將二級(jí)攪拌池內(nèi)的漿體壓入輸送管路，然后進(jìn)入鉆孔進(jìn)行注漿充填。設(shè)計(jì)泵站最大注灰能力1 500 t/d，且要求注漿泵站具備1 200 t/d的儲(chǔ)灰能力。

圖2 覆巖隔離充填開采注漿工藝流程

3.3 注漿充填工程量

根據(jù)10106工作面實(shí)際開采條件，在工作面區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)5個(gè)注漿鉆孔，每個(gè)注漿轉(zhuǎn)孔采用2開成孔，1號(hào)和2號(hào)孔要下套管，3號(hào)孔采用裸孔直到終孔為止。鉆孔平均深度280 m，根據(jù)地表起伏及工作面地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)調(diào)整孔深。共計(jì)施工鉆孔1 364.3 m，注入粉煤灰335 000 t。

4 工程應(yīng)用效果分析

10106工作面過(guò)注漿區(qū)域過(guò)程中，沿走向距離注漿邊緣200 m處布置1條測(cè)線，沿工作面布置方向在測(cè)線上布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)地表沉陷進(jìn)行了觀測(cè)，如圖3所示。整個(gè)推進(jìn)過(guò)程中累計(jì)出現(xiàn)了58次地表沉陷，觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意

圖4為10106工作面距離測(cè)線不同距離時(shí)，地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖可以看出，隨著工作面靠近觀測(cè)點(diǎn)，地表沉陷量表現(xiàn)出了不同的特征，測(cè)點(diǎn)距離工作面預(yù)計(jì)地表沉陷量，沿走向最大沉陷發(fā)生在工作面過(guò)測(cè)點(diǎn)100 m處，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，沉陷開始減小，當(dāng)工作面推過(guò)測(cè)線150 m后地表沉陷量趨于穩(wěn)定。沿工作面布置方向，地表沉陷最大值發(fā)生在中部，表現(xiàn)為由中部向兩側(cè)減小。整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中地表最大沉陷量為263 mm，該下沉對(duì)地面建筑物不造成影響。

圖4 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)實(shí)施覆巖隔離注漿充填開采技術(shù)，工作面多回收煤炭101萬(wàn)t，按照每噸260元計(jì)算，多回收煤炭銷售收入約為3.03億元，注漿充填項(xiàng)目共計(jì)費(fèi)用約5 500萬(wàn)元，扣除注漿成本后預(yù)計(jì)增收2.48億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)對(duì)公路下10106工作面注漿充填技術(shù)評(píng)價(jià)，得出工作面基巖厚度嚴(yán)重偏小，存在地面跑漿導(dǎo)致地表沉陷偏大的風(fēng)險(xiǎn)。地表局部地勢(shì)起伏較大，影響鉆孔的施工，但整體方案可行。

2) 通過(guò)工作效果驗(yàn)證，地表最大沉降量?jī)H為263 mm，對(duì)地表建筑物沒有任何影響。

3) 通過(guò)實(shí)施覆巖隔離注漿充填技術(shù)，礦井可實(shí)現(xiàn)增收2.48億元。