软弱覆岩下煤柱开采注浆减沉技术及应用

阴静慧 邢茂林 张 超

（1.中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710199；2.陕西省地理空间信息工程技术研究中心，陕西 西安 710199；3.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710077；4.安徽神源煤化工有限公司邹庄煤矿，安徽 淮北 235123）

淮北矿区村庄、城市、交通、水利等基础设施下压煤约21.4 亿t，约占总储量的54.8%[1]。覆岩注浆充填是利用地面钻孔向关键层下方的开采裂隙注浆充填，通过“压下托上”对关键层重新形成支撑，有效控制岩层和地表移动，保护含水层和建筑物，实现减损开采[2]。以淮北矿区邹庄煤矿工广煤柱下3105 工作面开采注浆减沉为背景，研究并提出了软弱覆岩下注浆充填减沉的方法，为软弱覆岩下煤柱开采的注浆减沉提供了方法和经验。

1 概况

3105工作面走向可采总长480 m，倾向宽187 m，平均煤厚2.8 m，最大3.3 m，埋深639～704 m，综采。工作面外段240 m 为工广压煤，埋深669～704 m（其中松散层平均260 m），储量约17.93 万t。压煤区为宿舍楼、办公楼、村庄等建筑物的保护区，工作面两巷已形成，压煤块段的直接回采成本极低，在有效保护建筑物的前提下延长回采长度是亟待解决的关键问题。工作面压煤区与地面建筑位置如图1。

工作面煤层直接顶为粉细砂岩、泥岩，厚2.96～4.63 m，平均3.81 m；基本顶为粉细砂岩、泥岩，厚6.62～16.3 m，粉砂或泥质结构。覆岩为砂泥岩型软弱岩层，没有明显的关键层，在采动过程中弯曲下沉带的沉降可能保持一致，因此注浆目的层选择弯曲下沉带上部。

从开采地质条件分析，工作面采深大、基岩厚度大，尽管覆岩以泥岩为主，坚硬岩层占比偏少，但由于岩层厚度大、注浆充填段高，有较大的选择空间，弥补了岩性偏弱的不足，增强了地层整体的可注性，具备注浆充填的条件。

2 注浆减沉方法

软弱覆岩注浆减沉原理如图2。针对软弱覆岩注浆减沉，提出弯曲下沉带高位注浆技术，即将弯曲下沉带下部作为保护层，保护层上一定高度作为充填层。保护层厚度按照承受注浆压力的10倍计算，充填层的高度取100 m 左右。

图2 软弱覆岩注浆减沉原理示意图

设计5 个注浆钻孔，1#孔位于充分采动区，距离压煤区边界50 m，2#～5#孔由压煤区边界至收作线布置，孔间距50 m。裂采比按12 计算导水裂隙带高度约40 m。注浆压力6.0 MPa，浆液比重1.5。根据煤层埋深，计算保护层厚度约140 m，注灰孔在距离煤层180 m 处终孔。钻孔为三开结构，一开套管隔离松散层，二开套管下至煤层上280 m 处，三开裸孔注灰段长100 m。钻进过程中加强冲洗液漏失量监测及测井、测斜工作，钻孔斜率≤3%。

如出现断层导水等特殊情况，应适当降低注浆压力并进一步提高浆液浓度。选用Ⅱ级罐装粉煤灰，注灰能力不小于1500 t。按注采比0.4、损耗率20%计算，工作面需注干灰量约8.6 万t。

注浆过程中严格控制采煤与注浆充填速度的配合关系，保证充填量与注采比。注灰量与允许推进速度关系见表1。在注浆充填初期，应严格按照注灰量控制产量；在正常注浆充填阶段，若日注灰达到1000 t以上，月产可达到6万t左右。若粉煤灰、水、电供应不足时，必须降低推进速度直至暂停开采。

注灰工作历时190 d，累计注入干灰8.9 万t。注灰量、产量和动态注采比关系如图3。注灰量根据工作面推进速度动态调整，开始注灰的第一个月为试注阶段，少量注灰，注采比小于10%；第二个月至停采前一个月为动态充填阶段，注灰量配合工作面推进速度，注采比由10%增加至50%；工作面停采前一个月为后方充填阶段，对采空区后方2#、3#孔进行大量注灰填充，注采比150%～200%，使得覆岩得到充分支撑，保证减沉效果。

图3 注灰量、产量和动态注采比关系图

3 沉降监测

沉降监测点布置如图4。工作面倾向A 线布设19 个监测点，倾向B 线布设24 个监测点，走向C线共布设35 个监测点，工业广场地面布设24 个监测点，沿主要建筑物四围边界布置58 个监测点。

图4 沉降监测点布置图

监测开始时间为注浆充填实施前1 个月内，地表形变监测频率设置为10 d/次，监测数据作为注浆充填效果评价的参照值。注浆充填期间，每7 d实施1 次地表高程测量。开采结束后继续观测，一月内不大于10 mm 结束观测。期间进行3～4 次水平位移监测，以评估地表与建筑物的变形情况。

4 减沉效果评价

工作面倾向A、B 监测线沉降历时曲线如图5。取工作面范围内代表性的监测点和工广附近的监测点进行分析。A 线为压煤充填区监测线，B 线为充分采动区监测线，对比分析沉降量变化。

图5 倾向A、B 监测线沉降历时曲线

将注浆充填过程分为注前、试注、动态充填、后方充填和压实排水五个阶段。注前B 线受采动影响地表显著下沉，A 线A13 监测点也有明显下沉，但下沉速率较B 线监测点慢。试注阶段注灰量小，A 线仍下降但有放缓趋势，此阶段对B 线基本无影响。动态充填阶段A 线地表逐渐回升，抬升90 mm左右至+50 mm，后趋于稳定，B 线也发生明显抬升，抬升量与A 线相近但速率较慢。后方充填阶段，由于工作面接近收尾，地表下沉加剧，需要大量充填确保起到支撑作用，使得抬升量基本稳定在10～20 mm，此时由于在充分采动区和充填区已形成充填隔离区，B 线开始下沉。停止注灰后进入压实排水阶段，A 线工作面内监测点下沉速率明显较B 线缓，沉降量在50 mm 以内，工广附近A2 点沉降逐渐恢复。在工作面回采范围内实现了减沉目的。

工作面走向C 监测线沉降曲线如图6，绘制了开始注灰、后方充填和停止充填三个节点的沉降曲线。在充分采动区发生明显沉降，最大下沉250 mm；由充分采动区到压煤充填区发生近乎垂直的抬升，说明注灰起到明显的隔离作用；压煤充填区注灰形成整体抬升，最大超过150 mm，局部的下沉发生在注灰钻孔之间，但下沉量得到明显控制。

图6 走向C 监测线沉降曲线

充填前地面主要建筑物均开始下沉，动态注灰期间产生明显抬升，竖向位移抬升10～20 mm。工作面回采结束前的后方充填阶段大量注灰，保证了停注后的压实、排水阶段位移小幅恢复，抬升量控制在0～10 mm 左右，建筑物得到有效保护。

5 结论

1）针对软弱覆岩注浆减沉，提出了弯曲下沉带高位注浆技术，将弯曲下沉带分为保护层和充填层两部分，分别给出了两层高度的设计方法。

2）将注浆充填过程分为注前、试注、动态充填、后方充填和压实排水五个阶段。通过实践确定了各阶段注采比的取值范围。

3）在3105 工作面，通过充填注浆在充分采动区和压煤充填区之间形成有效的隔离带，压煤区工作面上方抬升约0～150 mm，保护区内建筑物抬升控制在10 mm 左右，实现了建筑物下充填开采。