淮北矿区注浆充填开采地面沉降规律及分析研究

马 军

(淮北矿业集团通防地测部,安徽 淮北 235000)

1 研究的意义

为了有效解决淮北矿区建(构)筑物压覆资源开采问题，实现建(构)筑物下资源利用和绿色开采的双重目的，淮北矿业自2009年以来在杨庄、祁南、临涣、袁二、海孜、刘店等煤矿多个采煤工作面进行了采动离层注浆充填开采试验，同时对各个注浆充填开采工作面地表进行了实时的地表移动与沉降观测，观测数据证明注浆减沉取得了较好效果。但注浆充填开采地表岩移沉降规律未进行系统分析研究，已有的早期淮北矿区垮落式开采工作面的岩移规律研究成果能否适用于注浆充填开采引发的地表形变预测和地面地物安全保护等工作需求不得而知，现对淮北矿区注浆充填开采后的地表移动变形规律和岩移参数进行系统的总结、分析和研究极为重要。

2 注浆减沉原理及关键技术

2.1 注浆减沉原理

通过分区隔离控制工作面处于非充分采动状态，并通过钻孔高压注浆充填离层区，形成“覆岩结构-隔离煤柱-充填压实区”承载结构，控制地表沉陷，实现地表建(构)筑物保护和不搬迁采煤，其原理见图1。

2.2 注浆减沉的关键技术

2.2.1 采动覆岩分区隔离参数设计方法：

(1)注浆充填工作面采宽设计方法；

(2)隔离煤柱宽度设计方法。

图1 覆岩隔离注浆充填原理图

2.2.2 采动覆岩分区隔离注浆充填工艺：

(1)注浆充填钻孔布置方法；

(2)注浆充填系统与工艺参数；

(3)注浆充填与采煤速度匹配。

2.3 施工技术要求(以临涣矿Ⅱ1021注浆工作面为例)

(1)各注浆钻孔在采前施工到位、各个钻孔要进行完整测井；

(2)严格开展测斜工作并控制孔斜，要求终孔偏斜度不超过0.5%，即终孔与孔口位置偏斜距不超过2.0 m；

(3)钻孔基岩段采用全取芯钻进，采用金刚石钻头钻进，岩芯采取率不低于85%，裸孔段岩芯采取率不低于90%；

(4)注浆钻孔深度381～423 m，所需要的最终注浆压力应达到3.8～4.3 MPa，平均4 MPa。

3 监测及沉降规律研究

3.1 岩移监测

为了考察注浆充填后岩层与地表移动特征，深入揭示重复采动条件下注浆充填沉陷控制机理，建议充分利用II1021工作面上方存在顶板巷道(II923风、机巷)的优势，开展内部岩移监测。观测方法：在II923风、机巷内设置沉陷观测点，用于测量测点的绝对下沉量。测点间距30 m，在II1021开采期间与地表沉陷同步进行观测，以评估内部岩层运动与地表沉陷的关系。内部岩移监测布置测点23个，见图2。

图 2 内部岩移观测点

3.2 地表沉陷观测

II1021工作面建立地表沉陷观测站，以评价注浆充填沉陷控制效果。考虑到II923与1021工作面已在窑厂、灰场附近布置观测点，II1021开采期间仅需要在工作面上方补充测点17个(点距15 m)，沿工作面走向方向的地表主干道布置，主要目的为评价垃圾焚烧站、粉碎机厂、II1021正上方的地表下沉量，同时兼顾了后期II923开采影响监测。测点位置见图3。

图3 II1021地面沉陷观测点布置平面图

3.3 沉陷预计与实测数据对比分析

采用概率积分法对II923里、1021、II1021工作面注浆充填回采后的地表移动变形进行了预计。预计得出，II1021工作面采用覆岩隔离注浆充填技术开采后隧道窑砖厂最大下沉250 mm，处于I级破坏以内(主要为压缩变形)，储灰厂最大下沉600 mm，处于I级破坏以内，详见表1。

表1 II923里、II1021工作面注浆充填开采后的地表移动变形预计值(最大值)

表2 II923里、II1021工作面注浆充填开采后的地表移动变形实测值(最大值)

4 效果验证

4.1 亳州煤业股份公司103采区

采高3.0～3.2 m，倾角12°，采深620 m，松散层厚度350 m，基岩厚度270 m，1037、1035工作面长134 m、124 m，隔离煤柱145 m；采出煤量76.9万t ，采出率90%以上，充填粉煤灰13.3万t，压实注采比44.6%。采后实测地表最大下沉量292 mm，下沉系数0.1。工作面位置及测点布置见图4。

图4 亳州煤业股份公司103采区测点布置图

4.2 海孜煤矿1031工作面

采高3.0 m，倾角8°，采深320，；松散层厚240 m，基岩厚度80 m。工作面平均宽分别74 m，隔离煤柱宽度44 m。采出煤量31.7万t ，采出率90%以上，充填粉煤灰3.1万t；压实注采比19.5%。采后实测地表村庄最大下沉176 mm，下沉系数0.06。工作面观测线下沉剖面见图5。

图5 海孜煤矿1031工作面观测线下沉剖面图

5 结 语

5.1 采用概率积分、典型曲线和剖面函数等方法，对地表移动与变形预测理论合理性进行优化选择，研究淮北矿区注浆充填开采的地表移动变形预计方法发现：注浆减沉工作面变形规律与概率积分法预计的趋势一致，影响边界范围不变，下沉量、水平变形量、倾斜变形量、曲率变形量大幅减小。

5.2 参数拟合计算：采用数理计算与拟合分析相结合等方法，验证地面沉降规律与实测数据拟合程度，研究注浆充填工作面开采的地表移动变形预计参数。通过临涣、海孜、刘店、杨庄等实测监测数据拟合分析，覆岩隔离注浆工作面地表变形各项参数有一定规律性，其原预计方法科学、合理，施工工艺技术可行，值得推广使用。