村庄下覆岩离层注浆充填开采技术的应用

苏占林 刘乐平 张程伟

（山东能源新矿集团，山东 新泰 271200）

新汶井田处于城市边缘，地面村庄建筑物密集，井田范围内有27 个行政村，千米以浅可采资源量1500 万t，90%可采资源为建下压煤。目前剩余资源多为独立小块段，如果采用村庄整体搬迁方式共需搬迁9 个村，需资金大，地方关系协调、土地征收难度大。为解放建下压覆煤炭资源，开展覆岩离层注浆技术研究[1-2]。

1 充填注浆技术理论

地下煤层被采出后形成了人为空间，岩体内部原有的力学平衡状态被改变，上覆岩层自下而上将不同程度地受到移动和变形影响甚至破坏。由于层状沉积岩的岩层强度、厚度、组合方式、界面特性的差异，在岩层移动过程中并不是同步移动的，而存在着移动的不协调性，且往往以离层方式呈现。实践证明，一般在硬度高、厚度大的岩层下部易于产生较大的离层空间。

通过地面钻孔对采动覆岩离层区（注浆层位须满足安全防水煤岩柱设计要求）注入高压浆液进行充填，高压浆液作用于离层四周围岩而挤压其下部岩层，使岩层移动过程中所形成的裂隙和碎裂空间逐渐被压实。对于多孔介质的岩体，在渗透力的作用下围岩水被渗流扩散，固体充填物脱水沉淀。在不断注入的浆液作用下，充填物体积和密实程度不断增加，进而支撑了上覆岩层的向下移动，形成覆岩关键层结构—充填区压实承载层—区段或其他隔离煤柱的复合支撑承载结构，从而阻止或减小上覆岩层的弯曲下沉，实现对地表塌陷的有效控制。

2 覆岩离层注浆技术理论实践

为了解决村庄下采煤，按照相关规范要求必须采用充填方式进行开采。经过多方面调研，孙村煤矿计划在2213 东工作面实施覆岩离层注浆技术实施开采。为了指导后期注浆方案设计，给注浆工作提供参考资料，本次工作面采用试验的方式，对开采后的离层情况进行分析试验，寻找最优最适合新汶煤田地层的注浆层位，保证注浆减沉的效果，确保村庄下安全绿色开采。

2.1 实施过程

2213 东工作面走向长148.8～155 m，平均149.5 m，倾斜长191.7～221.7 m，平均195.1 m，水平面积 29 167.5 m2，倾斜面积31 242.6 m2。上平巷标高：-418.61～-424.83 m，下巷标高：-485.93～-494.44 m。地面标高+174.0～+172.0 m，工作面煤层平均厚度3.2 m，煤层倾角21°，设计可采储量13.1 万t。

2213 东工作面地面全部为第四系沉积物所覆盖，地形地貌为半缓阶丘陵，西部平坦，东部起伏较大，西北部地势较低，东南部较高。

2213 东工作面开采主要影响新泰市新汶街道办事处中洛沟、东洛沟部分建筑物。中洛沟村东偏北在采空区上方地表建设有三栋5+1 层回迁楼，于2007 年建造两栋、2010 年建造一栋。该楼房近东西走向布置，三栋楼房南北方向排列。经调查，三栋住宅楼几何尺寸一致，楼长30.24 m、宽12.54 m、高18.93 m，建筑面积1404 m2。每栋楼2 个单元，底层为车库或储藏室，共有居民60 户。楼房为6层砖混结构：一层为储藏室，层高2.18 m；2～6 层为住宅，层高2.9m；阁楼最高处层高3.6 m。其基础为钢筋混凝土条形基础，抗震设防烈度为7 度，基本地震加速度0.1 g，抗震等级三级，建筑场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别为丙类，结构安全等级二级，基础设计等级为乙级，砌体结构施工质量控制等级为B 级。当地基本风压0.4 kN/m2，基本雪压0.35 kN/m2，设计使用年限50 a。

2213 东工作面采用了覆岩离层注浆技术，自2022 年1 月5 日开始回采，于2022 年4 月20 日回采结束，采高3.2 m，实际采煤量9.86 万t，煤层容重为1.38 t/m3，形成采空空间为79 420 m3。现场实施注浆孔的布置如图1。

图1 现场注浆观测孔布置图

2.2 钻孔情况

2213 东工作面施工地面地质探查孔1 个、注浆充填孔4 个，探查孔工程量549 m、充填孔工程量2 016.3 m。

探查孔为垂直孔，钻孔深度549 m，距煤层120 m，取芯549 m。注浆充填1 号孔为垂直孔，钻孔深度533 m，距煤层120 m，裸孔段48 m；2 号孔为定向孔，钻孔深度514 m，距煤层135 m，裸孔段38 m；3 号孔为定向孔，钻孔深度509.5 m，距煤层142 m，裸孔段37.5 m；4 号孔为定向孔，钻孔深度459.8 m，裸孔段68.4 m，距煤层194 m。

2.3 注浆情况

截至4 月30 日，各孔累计注浆总量30 676 t（粉煤灰29 982 t，水泥694 t）。其中：1 号孔注浆量5786 t（粉煤灰5402 t，水泥384 t）；2 号孔注浆量5990 t（粉煤灰5680 t，水泥310 t）；3 号孔注浆粉煤灰量11 051 t；4 号孔注浆粉煤灰量7849 t。

4月10日工作面停采，4月17日3号孔口压力3.9 MPa，4 号孔口压力4.0 MPa，因注浆孔口压力持续升高，如果压力超过3 MPa 时间过长地面可能抬升，为保证地面安全，暂停注浆。4 月20 日工作面开始铺网，预计上巷再推采14 m、下巷再推采12 m 结束。各孔注浆情况见表1。

表1 各注浆孔注浆情况

从图1 和表1 中可以看出，截至2022 年4 月30 日，对东部开切眼附近区域进行了注浆充填工作，注浆总量为60 950 m3。根据实际开采和注浆经验来看，因工作面开采范围较小，达不到充分采动，离层发育空间有限，实际注灰量与设计注灰量有一定的偏差。根据中勘开采经验，不同岩层、不同工作面注灰量占比不同，孙村煤矿为红层地层条件下，实际注灰量达到20%以上即可满足要求，目前实际注灰量占比30%，实际注浆量占采出煤炭体积的76.7%，符合设计要求。

2.4 地面沉降观测情况

为了充分反映地表移动与变形规律，本次布设了两条交叉走向观测线和两条平行倾向观测线。一条沿洛沟路，另一条沿滨河大道。走向观测线受邻近采空区影响，布设26 个工作测点，长度约1800 m，贯穿整个2213 东工作面位置；受地形影响，倾向观测线布设22个工作测点，一条布置在沉陷盆地内，长度460 m，另一条沿洛沟转盘道发展大道北方向长约480 m。2213 东工作面地表移动观测站观测线布设示意图如图2。

图2 2213 东工作面地表移动观测站观测线布设示意图

高程测量采用Trimble Dini03 电子水准仪及条形码水准尺按三等水准的测量规范要求进行观测。通过2021 年11 月12 日至2022 年11 月12 日一年连续进行观测，孙村煤矿2213 东工作面监测区域地表未出现明显沉降值，观测最大下沉值39 mm，水平位移最大5 mm，无明显倾斜变化，结合数据分析离层注浆充填效果良好。

3 结论

孙村煤矿2213 东工作面开采区域较小，距周边工作面间多有遗弃煤柱，工作面区域相对独立，从开采尺寸上判断，属非充分采动，通过实施覆岩离层注浆充填开采技术，工作面开采引起的地表移动变形值较小，地面建筑物破坏等级控制在Ⅰ级以内，达到设计效果。本次试验结论对类似条件下解放建下压覆资源，实现建下安全开采具有推广借鉴意义。