阳泉矿区铁路隧道下覆岩隔离注浆充填开采实践

李 涛

（阳泉煤业（集团）有限责任公司 地质测量部，山西 阳泉 045000）

建筑物、水体、铁路下压煤（“三下压煤”）一直以来是制约煤矿资源开采的技术难题，为了解决“三下压煤”问题，离层注浆开采作为控制地面沉降的减沉技术之一，在工程实践中发挥了积极的作用，例如离层注浆的机理研究[1-5]、离层注浆开采地表下沉预计方法研究[6-7]、火成岩下注浆开采减灾研究[8-10]、离层注浆的开采试验[11-16]等方面。离层注浆开采具有不干扰井下的正常开采，并达到地表减沉的优点。将其用于铁路隧道减沉控制具有轨道维护与调整空间有限、铁路隧道净空要求严格的2 个难点及特点。但由于目前各矿区地矿矛盾尖锐、搬迁费用高，无法实现迁村开采，目前主要采用留设煤柱方案对受开采影响的村庄进行保护，造成大量煤炭资源损失。研究针对坪上煤矿铁路隧道压煤及资源紧缺的矛盾，并考虑经济效益，采用覆岩隔离注浆开采技术进行开采沉陷的地面减沉，形成覆岩隔离注浆的铁路隧道采动变形控制一体化方法，保护铁路隧道的正常运行及附属村庄的安全。

1 工程概况

坪上公司15104 综放工作面走向长1 060 m，但外段铁路隧道及上庄村压覆，若不采用地面减沉技术，工作面回采总长仅498 m，将丢弃压煤70 余万t，对资源匮乏的坪上公司造成极大的损失。由于工作面巷道主体已经形成，压煤段的回采成本相对较低，预期经济效益明显。15104 工作面开采15#煤层，煤厚 6.0 m，倾角为 6.7°，埋深 287～292 m（平均约289 m），黄土层厚度0.8 m。地表地形主要为山体，在外段压煤中心区地形相对平坦。工作面采宽里段201 m，外段219 m，采用综合机械化放顶煤开采工艺。

工作面外段上方被运煤专线铁路隧道所压覆，15104 工作面离层注浆孔分布与铁路隧道关系如图1，运煤专线铁路受影响区域内存在铁路隧道1 个（北岭山隧道），洞口与15104 工作面机巷的最小间距为69 m，向收作线方向隧道与机巷间距逐渐减小。根据设计，运煤专线由北往南的设计为上坡（坡度3.2‰），按照设计要求，重车最大上坡为6‰。若15104 工作面（考虑15101 工作面已采时累计采宽374 m）采用传统的综放开采方法，预计地表累计最大下沉达6.0 m，将对铁路隧道产生严重影响。

图1 15104 工作面离层注浆孔分布与铁路隧道关系Fig.1 Relation between grouting hole distribution and railway tunnel in 15104 working face

2 综放工作面覆岩隔离注浆充填方案

2.1 技术适用性分析与评价

从地质开采因素方面对15104 工作面覆岩隔离注浆充填技术适用性进行评价，15104 工作面技术适用性评价见表1。

表1 15104 工作面技术适用性评价Table 1 Technical applicability evaluation of 15104 working face

在地质开采因素方面，其有利条件包括：①基岩厚度充足（289 m）、具备典型关键层，适宜于选择注浆充填层位；②地表地形相对平坦，钻孔施工与注浆充填站建设的难度相对于山地有所减小；③压煤建（构）筑物均不位于工作面正上方，为目标保护提供了有利条件。

但是，从采宽与采深的比值（0.70～0.76）来看，工作面采宽偏大；同时，工作面采厚达6.0 m，与前期试验工作面采厚（最大5.0 m）相比偏大。

2.2 技术难点

1）相邻采空区条件下注浆充填。相邻15101 工作面已经回采，且两工作面之间无隔离煤柱，在15104 开采期间存在叠加开采影响、下沉速率快，沉陷控制的难度本身就很大，注浆充填控制难度更大。

2）一侧充分采动条件下注浆充填。由于15104工作面注浆充填区域为工作面外段437 m，非注浆充填区域采用垮落式开采将导致岩层破断、下沉，并超前发育，会对注浆钻孔孔壁稳定性保护带来极大技术困难，有可能导致钻孔塌孔、注浆充填量小。

3）工作面采高大。由于工作面采用综放开采工艺，累计采厚将达6 m，且一次采出空间体积大，将导致地表沉陷量大、岩层破断充分，影响钻孔稳定性与注浆充填控制关键层稳定性的难度。

2.3 注浆充填钻孔

充分考虑到工作面覆岩条件、一侧垮落式充分采动、工作面日产高等地质开采因素，结合地面地形并经现场勘查，确定了工作面钻孔布置方案，如图1。

关键层在采动覆岩中的作用，上可影响至地表，下可影响至采场和支架，内部影响到采动裂隙的分布和流体的运移，因而它一定程度上可作为采场矿压、岩层移动及地表沉陷、采动岩体内的流体运移研究统一的基础。采场覆岩一般力学模型如图2。

判别某一岩层是否为关键层，必须同时满足刚度（变形）判别条件（式1）和强度判别条件（式2）：

图2 采场覆岩一般力学模型Fig.2 General mechanical model of stope overburden

式中：n＜s；hi为第 i 岩层厚度；ρi为第 i 岩层平均密度；Ei为第 i 岩层弹性模量；l1、ln+1为第 1、第 n+1 层的破断距离。

采用中国矿业大学编制的关键层判别软件。输入岩层厚度，密度，抗拉强度，弹性模量，岩性，岩层破断角，松散层载荷传递系数。根据关键层判别结果，确定终孔注浆层位位于第三亚关键层下方。第一亚关键层深度284.4 m（距离煤层9.3 m），为8.9 m 厚的细砂岩；第二亚关键层深度206 m（距离煤层87.7 m），为8.6 m 厚的细砂岩；第三亚关键层深度138.8 m（距离煤层154.9 m），为3.1 m 厚的中砂岩。

各注浆钻孔采用3 开成孔：第1、第2 开均下入石油套管，第3 开为裸孔至终孔。各钻孔深度平均160 m。在现场地面标高变化、揭露岩层厚度发生变化、钻孔位置处煤层埋深变化或遇到断层等构造时，根据具体情况对孔深作出适当调整。

3 注浆充填监控及实施效果

3.1 注浆充填开采情况

自2016 年8 月17 日回采至原定停采线开始，截至2017 年9 月，工作面已终采，共采过原定停采线367.3 m，采出煤量73.63 万t。采面过隧道洞口95.8 m，与铁路平距52.8 m。在注浆充填开采期间，工作面日平均推进速度为1.3 m/d，月平均推进速度为40 m。

注浆充填自2016 年8 月25 日开始，截至2017月9 月，各个钻孔均已实施了注浆充填，累计充填注粉煤灰 18.42 万 t。

3.2 沉陷控制效果

从工程实施实践来看，可注性及沉陷控制效果要比预期要好。对隧道内布置26 个测点约230 m。累计进行了52 次地表沉陷观测，对历次观测数据进行了及时分析，并同步调整了注浆充填参数，保证了地表沉陷控制效果。隧道沉降监测曲线如图3。

图3 隧道沉降监测曲线Fig.3 Tunnel settlement monitoring curve

根据观测结果，隧道最大下沉81 mm，最大水平移动55 mm。隧道限界仍然满足要求，列车正常通行，达到了保护隧道的目的。

3.3 经济效益分析

通过实施注浆充填，工作面共采出铁路隧道压煤 73.63 万 t。2016 年 8 月至 2017 年 9 月，工作面采出煤炭平均售价 400 元/t，销售收入总计29 452 万元。工作面注浆充填总费用合计2 403.23 万元，折合吨煤32.6 元。扣除注浆充填成本后，新增收入为27 048.77 万元。

由于采用了充填开采，符合国家财税［2014］72号文中的“对充填开采置换出来的煤炭，资源税减征50%”规定。经坪上公司申请、山西省煤炭厅、税务部门认定，共计减免资源税 600 万元。根据上述计算，铁路隧道下综放面覆岩隔离注浆充填开采试验研究项目，增收节支总额为 27 648.77 万元，经济效益显著。

4 结 论

1）首次将覆岩离层注浆开采技术应用于铁路隧道下采煤，并获得了成功。采出煤量70 余万t，延长开采时间近1 年，有利于矿井接替，同时将为坪上公司乃至阳煤集团“三下”压煤开采提供新的思路与方法。

2）评估了15104 工作面实施覆岩隔离注浆充填开采的适用性。在地质开采因素方面，该区域实施注浆充填的有利地质条件是：①基岩厚度充足（289 m）、具有关键层，能够选择出合适注浆充填层位；②压煤区地表地形相对平坦，钻孔施工与注浆充填站建设的难度较之山区相对偏小；③铁路与村庄不在工作面正上方，为其保护提供了有利条件。

3）本项目的重点正是集中于北岭山隧道采动损害防护，保证隧道限界满足通行要求，隧道衬砌不出现影响行车的破坏或塌落。确定了隧道原始限界及其富裕量。