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(biāo)下,煤炭仍承擔(dān)著我國能源供給的重大使命,發(fā)揮著戰(zhàn)略資源的作用[1-2]。隨著煤炭資源的開發(fā),各礦區(qū)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(qū)的發(fā)展。因此,為了能夠?qū)⒋迩f、道路等下方的煤炭資源,以最低的成本進行開采,國內(nèi)外學(xué)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(tài)和靜態(tài)變形,多工作面開采變形協(xié)調(diào)開采技術(shù)[6]、條帶開采技術(shù)[7]、以砂子、矸石或高水材料等為基料的充填開采技術(shù)[8-9]。

以上研究取得了較好的成果,但是從經(jīng)濟上、實施便捷性以及減沉效率等角度,均不是最優(yōu)方案。而近些年,覆巖離層注漿技術(shù)的研究,成為了國內(nèi)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(shù)[10-12],該技術(shù)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(xiàn)礦井正常開采,具有良好的經(jīng)濟效益和社會效應(yīng),逐步得到推廣和應(yīng)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(shè)計及減沉效果檢驗,并針對斷層影響下,對注漿設(shè)計進行了優(yōu)化,為類似工程和科學(xué)研究的開展提供參考。

1 研究概況

大社礦位于峰峰礦區(qū)東北部,該礦設(shè)計生產(chǎn)能力90萬t/a,礦井經(jīng)過50多年連續(xù)高強度生產(chǎn)后實際可采儲量已接近枯竭,實施了政策性破產(chǎn),依據(jù)相關(guān)批復(fù)2013年重組成立大社礦繼續(xù)開采本區(qū)殘余的煤炭資源。2020年大社礦礦井改、擴建后,核定生產(chǎn)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(qū),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(cè)下方約30 m,為941103工作面,采高1.3 m,已經(jīng)采完10 a,工作面東南側(cè)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(cè)為未開采區(qū)域,見圖1。921103工作面計劃使用“覆巖離層注漿充填”技術(shù)保護上覆村莊,確保井下采煤。

2 覆巖離層注漿設(shè)計

2.1 覆巖離層注漿適宜性分析

1)地質(zhì)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(guān)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(qū)位于921103工作面煤層底板,對覆巖可注性幾乎不會產(chǎn)生影響,因此工作面符合覆巖隔離注漿充填開采技術(shù)所要求的煤層條件。

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

供水條件:該區(qū)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(chǎn)生活區(qū)域,具備優(yōu)越的供電條件。

粉煤灰供應(yīng)條件:礦井附近具備多個電廠,具備保證粉煤灰持續(xù)供應(yīng)的條件。

綜上,921103工作面具備覆巖離層注漿的技術(shù)條件及外部條件。

2.2 覆巖離層注漿設(shè)計

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

表1 煤層頂板巖層單軸抗壓強度

根據(jù)檢測單軸抗壓強度數(shù)據(jù),煤層頂板巖性屬中硬,采用經(jīng)驗公式對垮落帶及導(dǎo)水裂隙帶高度進行計算。

垮落帶高度經(jīng)驗公式見式(1):

(1)

得12.26+2.2=14.46 m。

導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗公式見式(2):

(2)

(3)

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

根據(jù)經(jīng)驗公式計算結(jié)果,均取最大數(shù)值,垮落帶高度為14.46 m,導(dǎo)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(qū)與導(dǎo)水裂隙帶之間貫通,需要留設(shè)一定厚度的耐壓隔漿保護層,防止?jié){液潰入井下,特別是離層注漿為高壓注漿,根據(jù)峰峰礦區(qū)相關(guān)礦井經(jīng)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(jù)選取的注漿層位和關(guān)鍵層的分析,并結(jié)合921102工作面注漿設(shè)計及施工經(jīng)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(jié)構(gòu)。本次共設(shè)計6個注漿鉆孔,因工作面北側(cè)低南側(cè)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(shè)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(jù)前期本礦其他工作面離層注漿經(jīng)驗,以及相關(guān)研究經(jīng)驗公式,本次設(shè)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(jié)構(gòu):

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;

在拉斐爾前派短暫的第一烏托邦消亡之后，羅塞蒂的藝術(shù)對后世的影響反而要遠超從前。如果說此前更多的是以團隊成員的性質(zhì)進行藝術(shù)活動的話，那么這段時期的羅塞蒂已經(jīng)完全呈現(xiàn)出自己的個人風(fēng)格了。

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

鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3)注漿壓力。注漿壓力應(yīng)不小于注漿充填層位以上地層的自然地壓,保證地表穩(wěn)定。其原理是為了控制上覆關(guān)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(xiàn)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(jīng)驗,注漿孔孔口壓力不宜大于5 MPa。正?；夭蛇^程中,根據(jù)工作面推進和具體注漿量進行動態(tài)調(diào)整。

3 斷層影響下注漿鉆孔優(yōu)化及地表變形監(jiān)測

3.1 斷層影響注漿鉆孔優(yōu)化

921103工作面在離層注漿期間,地表總計布置三條監(jiān)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(qū)域部分監(jiān)測點階段下沉值仍然較大。

經(jīng)過進一步技術(shù)分析,因921103工作面南側(cè)揭露一條斷層,斷距達5 m～16 m,受F49斷層影響,使得該區(qū)域下部注漿段沒有得到較好充填加固,故部分監(jiān)測點階段下沉值增大。故在此基礎(chǔ)上,對注5孔、注6孔鉆孔位置進行了優(yōu)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(yōu)化后,剩余4個鉆孔注漿情況。

從圖6中可以看出,優(yōu)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(jiān)測及綜合效果評述

圖7—圖9分別為三條監(jiān)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(jiān)測后期,對后續(xù)鉆孔孔位調(diào)整及優(yōu)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(wěn)定。

結(jié)合注漿工程及地表下沉監(jiān)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(jiān)測情況,科學(xué)分析研究地質(zhì)條件,靈活調(diào)整鉆孔布置,地表下沉得到良好的控制,達到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)論

1)從地質(zhì)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(dǎo)水裂隙帶高度為56.9 m,并結(jié)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(jié)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(jié)合地質(zhì)條件,優(yōu)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(jiān)測結(jié)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(shù)在大社礦得到較好的推廣和應(yīng)用,保證了礦井順利接續(xù)生產(chǎn),實現(xiàn)了不搬遷采煤技術(shù),保證了井下采煤工作,經(jīng)濟效益及社會效益顯著。