断层影响下覆岩离层注浆技术研究及应用

成 浪

(冀中能源峰峰集团有限公司大社矿,河北 邯郸 056000)

0 引言

“双碳”目标下,煤炭仍承担着我国能源供给的重大使命,发挥着战略资源的作用[1-2]。随着煤炭资源的开发,各矿区资源在逐渐减少,“三下”压煤的问题日益凸显[3-5],影响各矿区的发展。因此,为了能够将村庄、道路等下方的煤炭资源,以最低的成本进行开采,国内外学者进行了大量丰富的研究,如采用合理布置回采工作面之间位置、错距和开采顺序,使一个工作面的地表变形与另一个工作面的地表变形互相抵消,以减少开采引起的地表动态和静态变形,多工作面开采变形协调开采技术[6]、条带开采技术[7]、以砂子、矸石或高水材料等为基料的充填开采技术[8-9]。

以上研究取得了较好的成果,但是从经济上、实施便捷性以及减沉效率等角度,均不是最优方案。而近些年,覆岩离层注浆技术的研究,成为了国内诸多煤矿提高“三下”煤炭采出率、减少村庄搬迁率的重要技术[10-12],该技术通过向煤层开采后形成的离层孔间进行浆液充填,浆体析水被压实后,承托起上覆岩层减少地面沉降,同时可实现矿井正常开采,具有良好的经济效益和社会效应,逐步得到推广和应用[13-14]。

本文以冀中能源峰峰集团大社矿921103工作面为例,进行覆岩离层注浆设计及减沉效果检验,并针对断层影响下,对注浆设计进行了优化,为类似工程和科学研究的开展提供参考。

1 研究概况

大社矿位于峰峰矿区东北部,该矿设计生产能力90万t/a,矿井经过50多年连续高强度生产后实际可采储量已接近枯竭,实施了政策性破产,依据相关批复2013年重组成立大社矿继续开采本区残余的煤炭资源。2020年大社矿矿井改、扩建后,核定生产能力为150万t/a。目前该矿井主采2号煤层,平均厚度5.5 m。

921103工作面属于十一盘区,位于大淑村村庄下方,推进长度347 m,工作面长157 m,煤层平均倾角10.5°,平均煤厚5.5 m,工作面南侧下方约30 m,为941103工作面,采高1.3 m,已经采完10 a,工作面东南侧为921102工作面,于2021年完成采煤工作,并进行了注浆充填,工作面北侧为未开采区域,见图1。921103工作面计划使用“覆岩离层注浆充填”技术保护上覆村庄,确保井下采煤。

2 覆岩离层注浆设计

2.1 覆岩离层注浆适宜性分析

1)地质条件。工作面埋深普遍较大,达到埋深506 m～559 m,平均532 m,基岩厚度501 m～554 m,平均527 m,覆岩中存在多层厚度达12 m～27 m的砂岩关键层,为实施注浆充填提供了极为有利条件。

2)开采条件。该工作面正下方4号煤层开采了1个50 m的条带,由于煤层厚度仅1.3 m,且采空区位于921103工作面煤层底板,对覆岩可注性几乎不会产生影响,因此工作面符合覆岩隔离注浆充填开采技术所要求的煤层条件。

3)外部条件适宜性。地面充填泵站建设:工作面地面地势平坦,且靠近几条公路,具备充填站建设条件。

供水条件:该区地层含水量充足,完全满足注浆工程用水要求。

供电条件:工作面靠近生产生活区域,具备优越的供电条件。

粉煤灰供应条件:矿井附近具备多个电厂,具备保证粉煤灰持续供应的条件。

综上,921103工作面具备覆岩离层注浆的技术条件及外部条件。

2.2 覆岩离层注浆设计

1)注浆层位的选取。选取煤层顶板上方12 m～101 m范围内3个位置,对煤层顶板单轴抗压强度进行检测,检测结果见表1。

表1 煤层顶板岩层单轴抗压强度

根据检测单轴抗压强度数据,煤层顶板岩性属中硬,采用经验公式对垮落带及导水裂隙带高度进行计算。

垮落带高度经验公式见式(1):

(1)

得12.26+2.2=14.46 m。

导水裂隙带高度经验公式见式(2):

(2)

(3)

将采厚代入式(2)、式(3)后,分别得导水裂隙带高度为49.95 m,56.90 m。

根据经验公式计算结果,均取最大数值,垮落带高度为14.46 m,导水裂隙带高度为56.9 m。

为保证离层注浆的安全实施,防止离层区与导水裂隙带之间贯通,需要留设一定厚度的耐压隔浆保护层,防止浆液溃入井下,特别是离层注浆为高压注浆,根据峰峰矿区相关矿井经验,保护层厚度取8倍煤厚即44 m,因此注浆层位选择在煤层顶板以上100 m位置。

根据选取的注浆层位和关键层的分析,并结合921102工作面注浆设计及施工经验,综合确定2号煤顶板以上100 m～175 m段为注浆层位段。

2)钻孔布置及钻孔结构。本次共设计6个注浆钻孔,因工作面北侧低南侧高,为保证浆液均匀扩散至整个离层孔间,因此将钻孔略向南移动15 m～30 m,这样布置有利于浆液在离层中的流动,有利于提高注浆量,钻孔平面布置见图2。

本次设计钻孔浆液扩散半径按照通用式(4)计算。

(4)

代入煤厚得到扩散半径为211 m～225 m,沿工作面开采方向相反的位置,扩散半径按照开采方向一般考虑,即取值为105.5 m～112.5 m。所以钻孔间距W≤R可满足条件。

根据前期本矿其他工作面离层注浆经验,以及相关研究经验公式,本次设计注浆孔间距为50 m～70 m,确保浆液交圈,离层孔间得到良好充填。

本次钻孔采用三开结构:

一开:φ311 mm下φ244.5 mm×8.94 mm孔口管;

二开:φ216 mm下φ177.8 mm×8.05 mm套管;

在拉斐尔前派短暂的第一乌托邦消亡之后，罗塞蒂的艺术对后世的影响反而要远超从前。如果说此前更多的是以团队成员的性质进行艺术活动的话，那么这段时期的罗塞蒂已经完全呈现出自己的个人风格了。

三开:φ110 mm裸孔下φ73.02 mm×5.51 mm或φ88.9 mm×6.45 mm孔内注浆管,或者根据实际情况三开裸孔注浆。

钻孔结构如图3所示。

3)注浆压力。注浆压力应不小于注浆充填层位以上地层的自然地压,保证地表稳定。其原理是为了控制上覆关键层的下沉,注浆压力必须大于覆岩自重力。注浆压力表示为:

P注≥P地。

其中,P注为注浆充填压力,MPa;P地为注浆充填层以上地层自然压力,MPa。在实际施工中,可以通过控制注浆充填钻孔上口的注浆压力P孔来实现地表沉降的控制。

P孔=P注-H1γ1≥P地-H1γ1=H1(γ-γ1)。

其中,H1为地表到注浆充填层位的孔深,921103工作面为410 m～440 m;γ为注浆充填层以上地层的综合比重,25 kN/m3;γ1为充填浆液的比重,13 kN/m3。

计算得注浆孔口压力为P孔=4.9 MPa～5.3 MPa。参考本矿井注浆经验,注浆孔孔口压力不宜大于5 MPa。正常回采过程中,根据工作面推进和具体注浆量进行动态调整。

3 断层影响下注浆钻孔优化及地表变形监测

3.1 断层影响注浆钻孔优化

921103工作面在离层注浆期间,地表总计布置三条监测线,沿工作面走向两条、工作面倾向一条,如图4所示。

图5为注1—注3孔注浆情况,三个孔平均日注浆量分别为510.87 t,343.19 t,357.79 t,累计注浆量分别为17 880.43 t,30 200.31 t,22 898.66 t,注采比达40.5%,注浆过程中地表下沉得到良好的控制,但是工作面东北区域部分监测点阶段下沉值仍然较大。

经过进一步技术分析,因921103工作面南侧揭露一条断层,断距达5 m～16 m,受F49断层影响,使得该区域下部注浆段没有得到较好充填加固,故部分监测点阶段下沉值增大。故在此基础上,对注5孔、注6孔钻孔位置进行了优化,并增加一个注4-1钻孔,如图4所示,确保整个注浆段离层孔间得到全方位良好充填。

图6为优化后,剩余4个钻孔注浆情况。

从图6中可以看出,优化后的钻孔平均注浆量相比注1孔—注3孔有明显提升,平均日注浆量提升38%,注采比达到51%,4个孔累计注浆12.86万t。

3.2 地表变形监测及综合效果评述

图7—图9分别为三条监测线在整个注浆期间地表下沉情况。

从图中可以看出921103工作面在实施离层注浆期间,A-A′测线地表最大下沉值为811 mm,平均最大下沉值为535 mm,B-B′测线地表最大下沉值为364 mm,平均最大下沉值为203 mm,C-C′测线地表最大下沉值为355 mm,平均最大下沉值为220 mm。在监测后期,对后续钻孔孔位调整及优化以后,从图中可以看出阶段下沉值得到较好控制,最后趋于稳定。

结合注浆工程及地表下沉监测情况分析可知,921103工作面在实施覆岩离层注浆期间,单孔平均注浆量2.84万t,平均注采比45.8%。针对注浆期间地表变形监测情况,科学分析研究地质条件,灵活调整钻孔布置,地表下沉得到良好的控制,达到预期目标。

4 结论

1)从地质条件、开采条件及外部条件适宜性等方面综合分析,确定大社矿921103工作面可实施覆岩离层注浆工程。

2)计算出921103工作面导水裂隙带高度为56.9 m,并结合矿井实际情况,确定921103工作面离层注浆层位为煤层顶板以上100 m～175 m,通过计算并结合实际情况,确定钻孔间距为50 m～70 m,孔口最大注浆压力为5 MPa。

3)结合地质条件,优化钻孔布置,921103工作面最终注浆量为19.87万t,单孔平均注浆量为2.84万t,注采比45.8%。地表变形监测结果表明,最大下沉值811 mm,平均下沉值331 mm。

覆岩离层注浆技术在大社矿得到较好的推广和应用,保证了矿井顺利接续生产,实现了不搬迁采煤技术,保证了井下采煤工作,经济效益及社会效益显著。