采动覆岩隔离注浆充填技术在淮北矿区的应用

倪建明

摘要：针对淮北矿区村庄压煤严重、迁村采煤困难这一难题，结合淮北矿区地质采矿条件，开展了“采动覆岩隔离注浆充填技术”试验与应用。分析了注浆充填的技术原理、设计方法与工程控制原则，将分析结果成功应用于刘店煤矿1044工作面注浆充填工程中。通过实施注浆充填，共注入粉煤灰67 340 t，压实注采比达29%。实测地表最大下沉0.149 m，注浆充填减沉率85.1%，建筑物没有任何损坏，表明隔离注浆充填技术在不迁村采煤中有重要的应用前景。目前，该项技术已在淮北矿区全面推广应用。

关键词：不迁村采煤；部分充填；注浆充填；关键层；绿色开采

中图分类号：TD823.7文献标志码：A[WT]文章编号：1672-1098（2014）03-0078-05

我国东部地区人口稠密，地面建筑物密集。对于地处东部的矿区而言，建筑物下压煤一直以来都是无法回避的一个突出问题，特别是在衰老矿井，随着煤炭资源逐渐枯竭，“三下”（建筑物下、铁路下、水体下）压煤开采势在必行。“三下”采煤方法有条带开采法、井下采空区充填法以及离层注浆等[1-2]。条带开采法在解放我国“三下”压煤中曾发挥了极为重要的作用，但是其采出率低、生产效率低、巷道掘进率高，目前已逐渐趋于淘汰。井下采空区充填法近年来在“三下”压煤开采中受到了广泛关注并开展了试验，但是面临采煤与充填相互干扰严重、生产效率低、充填成本高等问题，在目前严峻的经济形势，煤矿企业普遍难以承受。传统的离层注浆技术，减沉效果差，难以实现相邻多工作面充分采动条件下不迁村采煤[3-6]。“采动覆岩隔离注浆充填技术”是传统的离层区注浆充填与宽条带开采的组合技术，该技术可布置常规的长壁工作面，充填与采煤相互干扰少、生产效率高、不改变采煤工艺且成本低，为我国“三下”压煤开采提供了一种新方法[7-8]。

淮北矿区位于安徽省北部，总面积9 600平方公里，主要分布在闸河、临涣、宿州和涡阳四个矿区，现有24对生产矿井。淮北矿区地处华东经济较发达区，井田范围内人口密集，地面村庄、城镇建设及交通、水利设施等成为主要压煤因素，总共压煤约21.4亿吨，约占总储量的54.8%（见表1）。表1淮北矿区地面建筑物压煤情况

村庄压煤压煤量/亿吨占比%城镇压煤压煤量/亿吨占比%建设项目压煤压煤量/亿吨占比%合计 压煤量/亿吨占比%18.447.21.74.31.33.321.454.8

淮北矿区煤种齐全，属特低硫、低磷的优质炼焦用煤，但地质构造极其复杂，是典型的“三软”难采煤层。自1958年矿区开发建设以来，一直采用搬迁的方法开采地面建筑物压覆资源。随着地方经济的快速发展，迁村采煤的难度越来越大，费用高，周期长，地方、煤矿矛盾尖锐；复杂的地质条件给迁村采煤带来了巨大的经济风险，特别是当地面建筑物压覆井下回采工作面部分资源时，迁村采煤明显不经济。为解决上述问题，自2009年起开展了采动覆岩隔离注浆不迁村采煤技术的研究工作。

1基本原理和方法

1.1技术原理

该技术是部分充填采煤技术中的一种，是离层区注浆充填技术与宽条带开采的组合。其原理是：设计工作面宽度并留设隔离煤柱，从而实现了回采工作面开采后处于非充分采动状态，并通过地面钻孔对采动覆岩离层区进行高压注浆充填，在采空区中产生一定宽度的注浆充填压实区，最终形成“覆岩结构-隔离煤柱-充填压实区”的承载结构，维持采动后覆岩关键层的稳定，限制采动覆岩结构的弯曲量，从而达到控制并减小采动引起的地表沉陷量，进而实现了经济的不迁村采煤（见图1）。图1采动覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术原理

1.2设计方法

“采动覆岩隔离注浆充填技术”的关键是如何设计合理的注浆充填工作面采宽和隔离煤柱宽度。

1） 注浆充填工作面采宽设计。合理开采的工作面宽度必须确保开采后覆岩内能够产生充分的离层空间，使地面沉陷处于非充分采动状态。结果表明[9]：关键层初次破断前的离层发育较好、离层量较大，易于充填；关键层初次破断后离层会逐渐减小且工作面中部逐渐趋于压实状态，采动引起的岩层移动会迅速传递到地表，引起地面沉降和建物破坏。因此，注浆充填工作面的采宽必须基于采动后关键层不破断进行设计（见图2）。

2） 隔离煤柱宽度设计[10]。合理的隔离煤柱宽度必须确保其稳定性，并尽可能减少煤的损失。基于图1所示的技术原理，隔离注浆充填开采的承载结构模型可等效为条带开采（见图3）。图2基于关键层不破断的注浆充填工作面采宽设计方法

1.3注浆充填的工程控制

1） 地表沉降预测、采动后建筑物保护等级设定及充填率设计。首先进行地面建筑物现状调查，根据建筑物结构、用途设定保护级别，确定允许地表变形量；然后通过数值模拟或概率积分等方法，对采动后地面建筑物的破坏程度进行预测。根据设定的允许地表变形量，确定煤层开采后的离层区充填率。以刘店煤矿1044工作面为例，利用概率积分法对采后的地表下沉进行了预计（见图4）。

2工业性试验

刘店煤矿设计年产150万吨，井田内断层构造发育，村庄密集，压煤量大。1044综采工作面走向长530 m，倾斜宽150 m；煤层厚度0.7～2.8 m，倾角7°～25°。地面标高+30.36 m，井下标高-638.1～-538.9 m。回采范围内地面有两座村庄，410户1 660人（见图5）。村庄建筑物砖混结构（一层）约占14%～20%，砖混结构（二层部分含阁楼）约占20～22%，砖木结构约占58 %，其它2%～5%。2009年7月～2010年7月采用地面钻孔采动覆岩隔离注浆充填不迁村采煤的技术进行开采试验，现已取得成功。

图51044工作面巷道布置及村庄压覆图

采用概率积分法预测的1044工作面开采后地表最大下沉量1.0 m， 倾斜4.5 mm/m、 曲率0.052 mm/m2、 最大拉伸变形2.0 mm/m、最大压缩变形5.0 mm/m，村庄部分建筑物处于Ⅲ级损坏。预计注浆充填后村庄建筑物可控制在Ⅰ级损坏以内。

1044工作面回采范围内设计2个注浆充填钻孔（见表2）。设计注浆站注浆能力600 m3/d，浆液水灰比按1.3∶1～1.84∶1控制，并根据实施情况进行调整。试验期间，注浆压力维持在4～6 MPa；水质化验表明，注浆水已混入工作面顶板淋水，采取了加快推进速度、降低注浆压力、提高浆液浓度等措施。

表21044工作面注浆充填情况

孔号孔深/m终孔距煤层距离/m充填粉煤灰量/t 1#46514343 616 2#50513123 724

1044工作面共开采328天， 连续推进470.6 m，实际采高为3.0 m， 采空区体积约23.25 万m3， 采出煤量40 万t； 连续注浆248天， 共注入粉煤灰67 340 t，压实注采比为29%。实测地表下沉量最大0.149 m，注浆充填减沉率85.1%，实现了不迁村采煤的目标（见图6）。

3结语

截止2013年底，淮北矿业集团已累计在6个矿井14个工作面17个村庄下实现了注浆充填不迁村采煤，安全采出煤量500万t，注浆充填费用为30元/（t煤），节省迁村费用约10.9亿元，地表沉降控制在0.3 m以下，地面建筑物未出现任何破坏，摸索出了一种简单易行、投资少、成本低的“三下”采煤的新方法，对类似条件下的不迁村采煤具有重要的推广价值。

参考文献：

[1]钟亚平，高延法.唐山矿覆岩注浆减沉的工程实践[J].矿山压力与顶板管理，2001（4）：75-76.

[2]袁亮，李佩全，程功林，等.煤层群开采覆岩离层注浆减沉实验与研究[J].煤矿开采，2001（1）：46-49.

[3]许家林，朱卫兵，李兴尚，等.控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术研究[J].采矿与安全工程学报，2006，23（1）：6-11.

[4]许家林，轩大洋，朱卫兵.充填采煤技术现状与展望[J]. 采矿技术，2011，11（3）：24-30.

[5]杨伦.对采动覆岩离层注浆减沉技术再认识[J].煤炭学报，2002，27（4）：352-356.

[6]高延法，邓智毅，杨忠东，等.覆岩离层带注浆减沉的理论探讨[J].矿山压力与顶板管理，2001（4）：65-67.

[7]许家林，钱鸣高.覆岩注浆减沉钻孔布置的研究[J].中国矿业大学学报，1998，27（3）：276～279.

[8]朱卫兵，许家林，赖文奇，等.覆岩离层分区隔离注浆充填减沉技术的理论研究[J].煤炭学报，2007，32（5）：458-462.

[9]许家林，钱鸣高，金宏伟.岩层移动离层演化规律及其应用研究[J].岩土工程学报，2004，26（5）：632-636.

[10]许家林.煤矿绿色开采[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.

（责任编辑：何学华 吴晓红）