3116 工作面覆岩运动规律及离层充填注浆技术研究

武俊州

（潞安化工集团慈林山煤业有限公司夏店煤矿，山西 长治 046000）

1 工程概况

山西潞安矿业集团夏店煤矿3116 工作面井下位于三一采区，工作面北部为31 采区大巷，南部为边界保护煤柱，东部为3112 工作面采空区，西部为实体煤。工作面开采3#煤层，煤层均厚5.93 m，平均含有一层夹矸，3#煤层顶底板岩层特征见表1。工作面倾斜长度200 m，走向长度1072 m，采用综合机械化放顶煤开采方法，开采高度为3 m，采放比为1:0.9，循环进度为0.8 m。由于工作面回采区域地面有建筑物，为有效控制回采后地表的沉陷，需进行覆岩运动规律及覆岩离层注浆技术研究。

表1 顶底板岩层特征表

2 覆岩运动规律分析

为分析3116 工作面回采作业时上覆岩层的运动规律，采用UDEC 数值模拟软件进行工作面回采期间覆岩裂隙发展及破断规律分析。根据工作面的地质条件，建立380 m×170 m 的数值模型，设置煤层厚度为6 m，工作面两侧留设30 m 的保护煤柱，限制模型左右两侧X 方向的位移，固定模型底部，模型上部设置为自由条件，并施加覆岩自重的荷载。

在模型建立时，为记录上覆岩层的位移数据，在各主关键层中轴线位置各设置一条测线，分别为A、B、C，并令m～q 剖面线分别过4 号、6 号、8 号、10 号、12 号测点。具体覆岩测线布置形式如图1。

图1 上覆岩层测线布置位置示意图

（1）覆岩垮落及离层规律。为分析上覆岩层在工作面回采作用下的弯曲、离层和垮落现象，分别对工作面推进30 m、60 m、90 m、135 m、150 m、195 m 时的覆岩垮落规律进行出图。工作面不同推进距离下覆岩垮落规律如图2。

图2 工作面不同推进距离下覆岩运动规律图

分析图2 可知，当工作面回采推进30 m 时，直接顶岩层开始垮落；当工作面推进60 m 时，基本顶岩层也已出现垮落，且与上覆岩层间形成离层，离层高度约为1 m，跨度为33 m；当工作面推进90 m，亚关键层位置出现离层现象，离层呈现为盆地形，离层高度约为2 m，跨度为55 m；随着工作面的进一步推进，当其推进135 m 时，亚关键层位置处的离层进一步扩大，离层高度发展到2.5 m，跨度达到90 m，且在此时主关键层与其接触的岩层间产生了层理；当工作面回采推进195 m 时，主关键层发生了破断，且导致其所控制的岩层同步产生弯曲现象。

根据数值模拟分析结果可绘制出亚关键层离层跨度与工作面推进距离间的曲线如图3。

图3 亚关键层离层跨度曲线图

分析图3 可知，亚关键层离层跨度随着工作面回采作业，呈现出先逐渐增大后大幅下降的趋势。在工作面推进70～90 m 时，由于上位关键层的弯曲变化较小，下位岩层裂隙扩展快，进而出现离层跨度增长较快的现象；在工作面推进90～110 m 时，下位岩层缓慢下沉，且层面裂隙的扩展不断减少，进而出现上位岩层明显下沉的现象，导致离层跨度增长幅度较慢；在工作面推进110～140 m 时，由于主关键层开始破断，导致亚关键层的离层空间逐渐减小，随着工作面回采作业的持续进行，主关键层逐渐破断下沉，会使得亚关键层离层空间逐渐减小，直至被压实。

（2）岩层下沉移动规律。为分析各个关键层下沉移动规律，通过对工作面回采期间岩层测点的运动情况进行分析，得出工作面回采期间各关键层岩层下沉规律曲线如图4。

分析图4 可知，各关键层随工作面回采推进岩层的垂直位移规律的变化趋势为：慢速下沉、加速下沉、慢速下沉趋于稳定。6 号测点处关键层，在工作面推进30 m 时开始位移；工作面推进110 m 时，测点下沉速度开始逐渐增大；工作面推进150 m 时，岩层的下沉速度开始逐渐降低；工作面推进180 m后，各岩层基本不再出现位移，达到相对平衡的状态。另一方面，从图中可看出，各岩层测点开始位移后，在同一垂直测线上，测点的加速位置会随着岩层层位的增大而逐渐增大，下沉幅度随着岩层的层位增大而减小。

图4 各关键层测点下沉曲线图

3 离层充填技术及效果

3.1 离层充填方案

为防止3116 工作面回采后上覆岩层出现大幅弯曲下沉后造成地表建筑物破坏，决定采用离层充填技术，即通过地表向工作面回采后上覆岩层离层空间注入充填材料，以控制岩层的弯曲程度，进而实现控制地面沉降量的效果。离层充填技术方案如下：

（1）钻孔布置形式。根据3116 工作面的地质条件及覆岩运动规律数值模拟结果，可知主关键层和亚关键层数据见表2。

根据离层注浆技术原理及关键层信息[1-2]，确定工作面覆岩离层注浆主要针对主关键层和亚关键层。设置5 组注浆孔，其中3～6 组包括2 个注浆孔，一个为主注浆孔，另一个为辅助注浆孔，最后一组有一个注浆孔，编号为注7。注浆孔底与煤层间的距离为86 m，注浆终孔压力为3.4～6 MPa[3-4]。具体注浆钻孔布置形式如图5。

（2）注浆系统及工艺。离层注浆过程主要为通过铲车将粉煤灰运输至储存罐内，随后与水搅拌均匀，搅拌完成后继续进行二级搅拌，最后将浆体材料运输至需要注浆的位置处[5-6]。注浆系统主要包括5 个部分，分别为：粉煤灰储送、一级搅拌、二级搅拌、管路运输和钻孔充填。具体注浆充填系统如图6。

表2 关键层及离层信息数据表

图5 离层注浆孔布置形式示意图

（3）注浆过程控制。在3116 工作面回采推进150 m 时，注3（辅3）孔出现压力释放现象，开始注3 孔的注浆作业；当工作面推进165 m 时，注4（辅4）孔下方出现离层空间，开始注4（辅4）孔的注浆作业，此时注3（辅3）孔持续进行注浆作业；当工作面推进167 m 时，注3（辅3）孔出现压力升高现象，停止注浆作业，此时初始注浆与终止注浆位置相差17 m；当工作面推进180 m时，注5（辅5）孔下方出现离层现象，开始注5（辅5）孔的注浆作业；在工作面推进190 m 时，停止注4（辅4）孔的注浆作业；当工作面推进至注6（辅6）孔与注7 孔上方时，分别开始注6（辅6）和注7 孔的注浆作业，至终孔压力达到6 MPa 时即可停止注浆作业。

3.2 效果分析

为分析离层注浆控制地表沉陷效果，在3116 工作面地表区域建立移动观测站，观测站设置在建筑物外墙位置处，在工作面回采期间持续进行观测作业。观测结果显示，工作面回采期间，围墙外测点处的最大下沉量为30 mm，保护建筑物基本无下沉现象。基于上述分析可知，离层注浆充填方案有效控制了覆岩的弯曲下沉，保障了地面沉降量在合理范围内。

图6 注浆充填系统示意图

4 结论

根据3116 工作面的地质条件，通过数值模拟进行覆岩破断规律及关键层下沉规律的分析，得出各关键层离层参数，结合离层充填注浆技术原理进行离层注浆方案的设计，并在离层注浆方案实施后进行地表沉降观测。根据观测结果得出，离层注浆效果显著，有效控制了地表沉降。