工作面離層注漿控制采空塌陷技術(shù)應(yīng)用
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［摘要］西山煤電集團(tuán)屯蘭煤礦資源為世界稀有煤種，但河流、鐵路、公路下壓煤?jiǎn)栴}嚴(yán)重，造成優(yōu)質(zhì)資源嚴(yán)重浪費(fèi)。而同屬于西山煤電的興能電廠位于屯蘭礦井田，該電廠處理粉煤灰能力150萬(wàn)t/a，處理后的粉煤灰絕大多數(shù)被填入溝谷，對(duì)耕地林地造成破壞。為了提高礦井資源回收率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，決定采用離層注漿充填開(kāi)采技術(shù)，人為干預(yù)煤炭開(kāi)采后地層的下沉運(yùn)動(dòng)，解決地面沉降和粉煤灰處置等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采。
［關(guān)鍵詞］“三下”采煤；充填開(kāi)采；關(guān)鍵層；離層注漿
引言
山西焦煤西山煤電集團(tuán)屯蘭煤礦生產(chǎn)能力400萬(wàn)t/a，主產(chǎn)焦煤、肥煤、瘦煤，其中焦、肥煤為世界稀缺資源。屯蘭煤礦河流、鐵路、公路下壓煤?jiǎn)栴}嚴(yán)重，造成優(yōu)質(zhì)資源嚴(yán)重浪費(fèi)。同屬于西山煤電的興能電廠位于屯蘭礦井田，該電廠處理粉煤灰能力150萬(wàn)t/a，其中部分粉煤灰被運(yùn)往水泥廠制作水泥使用，消耗量約60萬(wàn)t/a，而剩余絕大多數(shù)粉煤灰被填入溝谷，對(duì)耕地林地造成破壞。為了提高礦井資源回收率，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，決定采用離層注漿充填開(kāi)采技術(shù)，人為干預(yù)煤炭開(kāi)采后地層的下沉運(yùn)動(dòng)，解決地面沉降和粉煤灰處置等問(wèn)題［1］。
1工程概況
屯蘭礦22301工作面東鄰聯(lián)校聯(lián)營(yíng)煤礦，西鄰風(fēng)平嶺斷層，北鄰金之中煤礦，區(qū)內(nèi)屯馬35kV二回路和興能電廠粉煤灰運(yùn)輸皮帶走廊橫穿工作面，區(qū)域地表以山地地形為主，切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫，主要溝谷為長(zhǎng)畛石溝。地面保護(hù)物主要有粉煤灰皮帶走廊和西山煤電粉煤灰綜合利用項(xiàng)目工廠。其中粉煤灰皮帶走廊為鋼結(jié)構(gòu)，其下方由支架支撐，支架基礎(chǔ)與地表接觸面積較小，皮帶支架間距大于15m。
2離層注漿充填開(kāi)采技術(shù)實(shí)施方案
2.1技術(shù)原理
采用采動(dòng)覆巖離層注漿技術(shù)控制上覆巖層的主關(guān)鍵層或目標(biāo)關(guān)鍵層不發(fā)生破斷，其原理是通過(guò)設(shè)計(jì)合理的工作面采寬使主關(guān)鍵層或目標(biāo)關(guān)鍵層初采期穩(wěn)定；合理留設(shè)一定寬度的區(qū)段隔離煤柱，控制相鄰2個(gè)工作面覆巖的連通移動(dòng)并均處于非充分采動(dòng)狀態(tài)；通過(guò)地面鉆孔對(duì)采動(dòng)覆巖離層區(qū)進(jìn)行注漿充填，在采空區(qū)中部形成一定寬度的注漿充填壓實(shí)承載區(qū)，并保持主關(guān)鍵層或目標(biāo)關(guān)鍵層的采中穩(wěn)定，形成覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)-充填區(qū)壓實(shí)承載層-區(qū)段隔離煤柱復(fù)合支撐承載結(jié)構(gòu)對(duì)地表進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采空地表塌陷的有效控制［2］。離層注漿設(shè)計(jì)原理如圖1所示。
2.2導(dǎo)水裂隙帶高度確定
采動(dòng)覆巖離層區(qū)注漿層位應(yīng)位于導(dǎo)水裂隙帶上方、主關(guān)鍵層下方的離層區(qū)內(nèi)，因此應(yīng)確定采空區(qū)上覆巖層兩帶（垮落帶、裂隙帶）范圍。22301工作面采高4.65m，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》規(guī)定［3］，導(dǎo)水裂隙帶最大高度為70.25m。參考相鄰礦井的研究成果，采高4.8m時(shí)導(dǎo)水裂隙帶最大高度為58.85m；采高4.5m時(shí)導(dǎo)水裂隙帶最大高度為53.88m。因此，本次設(shè)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶高度取70.25m。在注漿時(shí)，為了防止離層區(qū)與導(dǎo)水裂隙帶之間貫通，需要留設(shè)5倍采高作為維護(hù)帶（23.25m），所以離層注漿的層位應(yīng)距煤層93.5m以上。
2.3關(guān)鍵層判斷
由離層注漿技術(shù)原理可知，該技術(shù)的第1步應(yīng)進(jìn)行關(guān)鍵層的判斷。依據(jù)鉆孔揭露的巖層信息進(jìn)行關(guān)鍵層判別，得到的關(guān)鍵層信息如表1所示。22301工作面斜長(zhǎng)210m，采高4.65m，埋深382m。設(shè)計(jì)注漿層位為亞關(guān)鍵層3。
2.4注漿參數(shù)設(shè)計(jì)
（1）注漿層位。注漿層位須位于導(dǎo)水裂隙帶上方，即距煤層93.5m以上，且同時(shí)位于亞關(guān)鍵層3下方的離層區(qū)域。（2）初始注漿孔位置。由于本次注漿區(qū)域?qū)儆诎腴_(kāi)放式，位于開(kāi)切眼一側(cè)的開(kāi)放段，故第1排鉆孔應(yīng)設(shè)計(jì)為封堵鉆孔。該封堵鉆孔位于煤柱外側(cè)，依據(jù)類似條件工程經(jīng)驗(yàn)，封堵鉆孔距離過(guò)渡區(qū)域100m；而根據(jù)相關(guān)要求，過(guò)渡區(qū)域?qū)挾葢?yīng)為關(guān)鍵層破斷距的2倍（取50m）。因此,封堵鉆孔距離煤柱150m。初始鉆孔位置如圖2所示。（3）注漿鉆孔布置方案。共布置15個(gè)注漿鉆孔和3個(gè)檢查孔。其中，注漿鉆孔靶點(diǎn)位置位于亞關(guān)鍵層3下方；檢查孔位于被保護(hù)構(gòu)筑物附近，靶點(diǎn)位置位于煤層底板下方3m，鉆孔深度390m，待注漿工程完工后施工，用以檢查注漿效果。
2.5離層注漿流程
（1）注漿流程。粉煤灰經(jīng)自卸車運(yùn)至地表注漿站，進(jìn)入儲(chǔ)料倉(cāng)中，然后經(jīng)螺旋輸送裝置運(yùn)至制漿機(jī)制漿，制漿漿液再進(jìn)入儲(chǔ)漿桶中進(jìn)行二次攪拌，以保證漿液均勻，最后通過(guò)注漿泵把儲(chǔ)漿桶中的漿液由輸漿管路注入注漿鉆孔。（2）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。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，即注漿壓力不小于注漿充填層位以上地層的自然地壓；但為了妥善處理好穩(wěn)定地表和井下防潰漿之間的關(guān)系，注漿壓力又不能大于注漿充填層位到回采工作面巖層的隔水壓力。因此，注漿結(jié)束條件應(yīng)根據(jù)注漿壓力和單孔注漿量2個(gè)指標(biāo)來(lái)判斷，二者滿足其一即可停止注漿。其中，當(dāng)注漿壓力達(dá)到2.8MPa，且注水穩(wěn)定漏失量小于100L/min時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間不少于30min時(shí)，即可停止注漿；當(dāng)注漿鉆孔注漿量達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，即可停止注漿；若注漿壓力已達(dá)到規(guī)定值，而注入量仍不足，可換孔進(jìn)行注漿。
3注漿充填效果
為檢驗(yàn)離層注漿充填開(kāi)采技術(shù)效果，在不受22301工作面采動(dòng)影響區(qū)域設(shè)置3個(gè)控制點(diǎn)，對(duì)22301工作面采動(dòng)后地表變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。采用離層注漿充填開(kāi)采技術(shù)后，22301工作面受采動(dòng)影響很小，可釋放原煤約129.6萬(wàn)t，可節(jié)約水處理費(fèi)用約287.64萬(wàn)元，可節(jié)約固廢處置費(fèi)用約2749.5萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
4結(jié)語(yǔ)
采用離層注漿充填開(kāi)采技術(shù)后，使河、路下壓覆煤炭資源得到了釋放，不僅提高了礦井煤炭資源回收率，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，而且為“三下開(kāi)采”和礦井可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)積累。
［參考文獻(xiàn)］
［1］李吉田.孔莊煤礦7434工作面構(gòu)筑物壓煤覆巖隔離注漿充填開(kāi)采方案研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2019.
［2］駱祥均.基于采動(dòng)覆巖離層注漿技術(shù)的采煤塌陷控制方法［J］.礦山測(cè)量，2018，46（2）：52-54.
［3］張旗，耿華樂(lè)，錢(qián)瑞鵬.榆樹(shù)井近距離煤層組“兩帶”高度研究［J］.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2014（3）：195-196.
作者：洛建軍 單位：山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦