覆岩离层注浆技术在赵庄煤矿采面中的应用

花 伟

（山西晋能控股装备制造集团晟泰能源投资有限公司，山西 晋城 048000）

煤炭开采后会形成采空区，采空区上覆岩层在覆岩重力、采动压力等作用下会出现弯曲、下沉，若不提前采取措施会导致开采区地表塌陷、地表构筑物损坏等问题[1-2]。因此，一般情况下为确保地表水体或者构筑物等安全，井下需要留设大范围保护煤柱。但对于部分资源逐渐枯竭的矿区（矿井）而言，实现地表构筑物下采煤对增加可采资源储量、提高矿井经济效益以及延长矿井服务时间等均有显著效果。晋城煤业集团赵庄煤矿二号井面临的地面村庄及构筑物压煤问题十分严峻[3-4]。由于压煤影响，工作面采掘接替计划被打乱，使得矿井稳产面临极其严峻的挑战。因此，解放村庄及构筑物压煤是矿井持续发展的一项重要举措。为此，提出采用覆岩隔离注浆充填开采方式，确保采面回采后采空区覆岩稳定，降低地表变形量，以确保地表构筑物可正常、安全使用。

1 工程概况

赵庄煤矿二号井2307 工作面与北部2309 工作面间预留35 m 宽护巷煤柱，南为实体煤，西部为采区巷道保护煤柱，东部正在回采。2307 工作面回采3#煤层，煤层倾角为0°～6°，平均3°。煤层厚度3.9～5.2 m，平均4.5 m，结构简单，普氏硬度f=0.4～1.32。3#煤顶板为砂质泥岩，底板为砂质泥岩、粉砂岩，煤层顶底板岩性如表1 所示。2307 工作面采用综采放顶煤工艺开采，采高2.8 m，放煤1.4～2.0 m，采放比1∶0.5～1∶0.72，单刀循环进尺0.6 m。

表1 3#煤层顶底板岩性

2307 面从压煤线位置到预计收作线位置，包括两段（宽面和窄面）：一段部分是南部兴旺村村庄的保护煤柱，对应推进长度32 m，面宽175.5 m（不含两巷），煤厚4.2 m，容重1.42 t/m3，煤量约0.033 Mt；另一段是明瑞建材厂保护煤柱，对应推进长度266 m，面宽115.5 m（不含两巷），煤厚4.2 m，容重1.42 t/m3，煤量0.183 Mt，具体采面地面构筑物压煤情况如图1 所示。为提高煤炭资源回收率并提高煤炭产量，提出采用覆岩离层注浆充填开采技术应用到2307 面，通过覆岩注浆实现保护煤柱区域内煤层回采并降低回采期间地表变形量。

图1 采面地表构筑物压煤情况

2 离层注浆充填参数设计

2.1 注浆层确定

（1）边界条件分析

边界条件有固定边界、非固定边界两种类似。固定边界以实体煤、保护煤柱等为主。在固定边界条件下对主关键层下注浆即可满足覆岩离层、变形控制需要。非固定边界是面向开采区边界，为控制覆岩离层及变形量，需要对主关键层及其下部的第1 个亚关键层进行注浆，如图2 所示[5-8]。2307工作面为采动边界，因此需要对亚关键层、主关键层注浆。

图2 非固定边界覆岩离层注浆

图3 注浆钻孔布置

（2）关键层判定

根据位于2307 工作面回采的3#煤层顶底板岩性、地质钻孔探测结果并结合相关理论研究成果，对离层注浆层位进行综合判定，关键层判定结果如表2 所示。

表2 关键层判定结果

（3）导水裂隙带发育高度确定

2307 面回采后引起的导水裂隙带发育高度采用工程类比法确定。依据邻近矿井3#煤层回采后导水裂隙带发育高度探测结果确定导水裂隙带发育高度约为采高的13.74 倍，则导水裂隙带高度H 为57.7 m。

（4）注浆层位确定

注浆层位处于关键层下方离层区内，故表2中的各关键层均可作为备选注浆层位。在注浆层位选择时为避免离层区与导水裂隙带贯通，注浆层位应处于顶板导水裂隙带之上，并留设一定保护宽度R（保护宽度为5 倍采高，本工作面取5 m×4.2 m=21 m），则注浆层与3#煤层顶板间隔应在78.7 m。（H +R=57.7 m+21 m=78.7 m）以上。注浆层位不宜与地面间距过小，一般应超过煤层埋深的0.3 倍，3#煤层埋深486 m，因此注浆层位深度应超过146 m。

根据上述分析并综合表2 中关键层数据，综合考虑关键层厚度、岩性等，决定将亚关键层2、亚关键层3 分别当作主要注浆层位、次要注浆层位，亚关键层1 为注浆补强层位。

2.2 钻孔布置位置

结合2307 工作面实际，布置5 个注浆钻孔，分别为注3、注4、注5、注5-1、注6 和注6-1，在采面采动边界位置布置注3、注4，对在次要注浆层（亚关键层3）位注浆。其余钻孔（注5、注5-1、注6 和注6-1） 对主要注浆层位（亚关键层2）注浆。二次注浆补强依据地表变形确定。钻进使用设备包括有GZ-2000 型 （重2000） 钻机、3NB-1300型泥浆泵及其他配套施工设备等。

2.3 注浆充填工艺

（1）注浆充填系统

覆岩隔离注浆充填流程为： 将电厂粉煤灰运输至注浆站，并存放于立罐中。粉煤灰输送至搅拌池搅拌制浆，然后流入二级搅拌池进行二级搅拌，最后通过泵房内的注浆泵将浆体压入钻孔注浆充填，如图4 所示。注浆站初步选址赵庄二井西风井工业广场大院内，泵站最大注灰能力达到1 500 t/d。

图4 注浆充填系统

（2）注浆充填参数

注浆浆液选择粉煤灰+ 水，按照水灰比1:1配比，浆液浓度为浆体密度按1.3 t/m3配制。结束注浆： 当注入压实粉煤灰体积达到采出体积35%～0%，注浆压力达到地层自然压力1.3～1.5 倍，连续三天单孔注灰量小于50 t/d，则可以结束。注浆选用F-30 型注浆泵。孔口压力维持在4.5～5.5 MPa。

3 覆岩离层注浆充填效果分析

完成覆岩离层注浆后对2307 工作面回采后地表沉陷情况进行监测，部分测点布置为准如图5所示，变形监测结果如表3 所示。从监测结果看出：①2307 工作面注浆充填开采后，烟囱最大下沉110 mm，最大倾斜1.2 mm/m，最大拉伸变形0.6 mm/m，最大压缩变形0.3 mm/m，烟囱变形得到有效控制，符合安全保护要求。②明瑞建材厂最大下沉320 mm，最大倾斜1.7 mm/m，最大水平变形-0.7～0.6 mm/m，最大曲率0～0.006 mm/m2，建筑物变形处于I 级以内。③郭家庄和兴旺庄建筑变形均处于I 级以内。通过覆岩离层注浆后，可有效减少地表变形量，实现了地表构筑物下煤炭的安全回采，现场应用取得较为显著的经济效益。

表3 地表变形监测结果

4 结语

以2307 综放工作面回采为工程背景，依据现场工程地质条件，确定3#煤层上覆108.81 m 的粗砂岩（层厚13.75 m）、上覆86.46 m 的细砂岩（层厚7.8 m） 以及上覆184.11 m 的粗砂岩 （层厚11.10 m）分别为主要注浆层、次要注浆层及补强注浆层。注浆浆液采用煤灰+水，按照水灰比1:1配比，注浆压力4.5～5.5 MPa。

2307 综放工作面采用覆岩离层注浆后，采面可多回收煤炭资源约0.216 Mt，同时采空区对应的地表变形得以较好控制，实现了地表构筑物下压煤区的安全回采，在一定程度上提高了采面煤炭资源回收率，并降低了矿井开采成本。