工作面離層注漿控制采空塌陷技術(shù)應(yīng)用
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［摘要］西山煤電集團屯蘭煤礦資源為世界稀有煤種，但河流、鐵路、公路下壓煤問題嚴重，造成優(yōu)質(zhì)資源嚴重浪費。而同屬于西山煤電的興能電廠位于屯蘭礦井田，該電廠處理粉煤灰能力150萬t/a，處理后的粉煤灰絕大多數(shù)被填入溝谷，對耕地林地造成破壞。為了提高礦井資源回收率，保護生態(tài)環(huán)境，決定采用離層注漿充填開采技術(shù)，人為干預煤炭開采后地層的下沉運動，解決地面沉降和粉煤灰處置等問題，實現(xiàn)綠色開采。
［關(guān)鍵詞］“三下”采煤；充填開采；關(guān)鍵層；離層注漿
引言
山西焦煤西山煤電集團屯蘭煤礦生產(chǎn)能力400萬t/a，主產(chǎn)焦煤、肥煤、瘦煤，其中焦、肥煤為世界稀缺資源。屯蘭煤礦河流、鐵路、公路下壓煤問題嚴重，造成優(yōu)質(zhì)資源嚴重浪費。同屬于西山煤電的興能電廠位于屯蘭礦井田，該電廠處理粉煤灰能力150萬t/a，其中部分粉煤灰被運往水泥廠制作水泥使用，消耗量約60萬t/a，而剩余絕大多數(shù)粉煤灰被填入溝谷，對耕地林地造成破壞。為了提高礦井資源回收率，保護生態(tài)環(huán)境，決定采用離層注漿充填開采技術(shù)，人為干預煤炭開采后地層的下沉運動，解決地面沉降和粉煤灰處置等問題［1］。
1工程概況
屯蘭礦22301工作面東鄰聯(lián)校聯(lián)營煤礦，西鄰風平嶺斷層，北鄰金之中煤礦，區(qū)內(nèi)屯馬35kV二回路和興能電廠粉煤灰運輸皮帶走廊橫穿工作面，區(qū)域地表以山地地形為主，切割強烈，溝谷縱橫，主要溝谷為長畛石溝。地面保護物主要有粉煤灰皮帶走廊和西山煤電粉煤灰綜合利用項目工廠。其中粉煤灰皮帶走廊為鋼結(jié)構(gòu)，其下方由支架支撐，支架基礎(chǔ)與地表接觸面積較小，皮帶支架間距大于15m。
2.1技術(shù)原理
采用采動覆巖離層注漿技術(shù)控制上覆巖層的主關(guān)鍵層或目標關(guān)鍵層不發(fā)生破斷，其原理是通過設(shè)計合理的工作面采寬使主關(guān)鍵層或目標關(guān)鍵層初采期穩(wěn)定；合理留設(shè)一定寬度的區(qū)段隔離煤柱，控制相鄰2個工作面覆巖的連通移動并均處于非充分采動狀態(tài)；通過地面鉆孔對采動覆巖離層區(qū)進行注漿充填，在采空區(qū)中部形成一定寬度的注漿充填壓實承載區(qū)，并保持主關(guān)鍵層或目標關(guān)鍵層的采中穩(wěn)定，形成覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)-充填區(qū)壓實承載層-區(qū)段隔離煤柱復合支撐承載結(jié)構(gòu)對地表進行控制，從而實現(xiàn)對采空地表塌陷的有效控制［2］。離層注漿設(shè)計原理如圖1所示。
2.2導水裂隙帶高度確定
采動覆巖離層區(qū)注漿層位應(yīng)位于導水裂隙帶上方、主關(guān)鍵層下方的離層區(qū)內(nèi)，因此應(yīng)確定采空區(qū)上覆巖層兩帶（垮落帶、裂隙帶）范圍。22301工作面采高4.65m，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》規(guī)定［3］，導水裂隙帶最大高度為70.25m。參考相鄰礦井的研究成果，采高4.8m時導水裂隙帶最大高度為58.85m；采高4.5m時導水裂隙帶最大高度為53.88m。因此，本次設(shè)計導水裂隙帶高度取70.25m。在注漿時，為了防止離層區(qū)與導水裂隙帶之間貫通，需要留設(shè)5倍采高作為維護帶（23.25m），所以離層注漿的層位應(yīng)距煤層93.5m以上。
2.3關(guān)鍵層判斷
由離層注漿技術(shù)原理可知，該技術(shù)的第1步應(yīng)進行關(guān)鍵層的判斷。依據(jù)鉆孔揭露的巖層信息進行關(guān)鍵層判別，得到的關(guān)鍵層信息如表1所示。22301工作面斜長210m，采高4.65m，埋深382m。設(shè)計注漿層位為亞關(guān)鍵層3。
2.4注漿參數(shù)設(shè)計
（1）注漿層位。注漿層位須位于導水裂隙帶上方，即距煤層93.5m以上，且同時位于亞關(guān)鍵層3下方的離層區(qū)域。（2）初始注漿孔位置。由于本次注漿區(qū)域?qū)儆诎腴_放式，位于開切眼一側(cè)的開放段，故第1排鉆孔應(yīng)設(shè)計為封堵鉆孔。該封堵鉆孔位于煤柱外側(cè)，依據(jù)類似條件工程經(jīng)驗，封堵鉆孔距離過渡區(qū)域100m；而根據(jù)相關(guān)要求，過渡區(qū)域?qū)挾葢?yīng)為關(guān)鍵層破斷距的2倍（取50m）。因此,封堵鉆孔距離煤柱150m。初始鉆孔位置如圖2所示。（3）注漿鉆孔布置方案。共布置15個注漿鉆孔和3個檢查孔。其中，注漿鉆孔靶點位置位于亞關(guān)鍵層3下方；檢查孔位于被保護構(gòu)筑物附近，靶點位置位于煤層底板下方3m，鉆孔深度390m，待注漿工程完工后施工，用以檢查注漿效果。
2.5離層注漿流程
（1）注漿流程。粉煤灰經(jīng)自卸車運至地表注漿站，進入儲料倉中，然后經(jīng)螺旋輸送裝置運至制漿機制漿，制漿漿液再進入儲漿桶中進行二次攪拌，以保證漿液均勻，最后通過注漿泵把儲漿桶中的漿液由輸漿管路注入注漿鉆孔。（2）注漿結(jié)束標準。為了控制上覆關(guān)鍵層的下沉，注漿壓力必須大于覆巖自重力，即注漿壓力不小于注漿充填層位以上地層的自然地壓；但為了妥善處理好穩(wěn)定地表和井下防潰漿之間的關(guān)系，注漿壓力又不能大于注漿充填層位到回采工作面巖層的隔水壓力。因此，注漿結(jié)束條件應(yīng)根據(jù)注漿壓力和單孔注漿量2個指標來判斷，二者滿足其一即可停止注漿。其中，當注漿壓力達到2.8MPa，且注水穩(wěn)定漏失量小于100L/min時，穩(wěn)定時間不少于30min時，即可停止注漿；當注漿鉆孔注漿量達到規(guī)定要求時，即可停止注漿；若注漿壓力已達到規(guī)定值，而注入量仍不足，可換孔進行注漿。
3注漿充填效果
為檢驗離層注漿充填開采技術(shù)效果，在不受22301工作面采動影響區(qū)域設(shè)置3個控制點，對22301工作面采動后地表變形情況進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如表2所示。采用離層注漿充填開采技術(shù)后，22301工作面受采動影響很小，可釋放原煤約129.6萬t，可節(jié)約水處理費用約287.64萬元，可節(jié)約固廢處置費用約2749.5萬元，經(jīng)濟效益十分可觀。
4結(jié)語
采用離層注漿充填開采技術(shù)后，使河、路下壓覆煤炭資源得到了釋放，不僅提高了礦井煤炭資源回收率，延長了礦井服務(wù)年限，而且為“三下開采”和礦井可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)積累。
［參考文獻］
［1］李吉田.孔莊煤礦7434工作面構(gòu)筑物壓煤覆巖隔離注漿充填開采方案研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學，2019.
［2］駱祥均.基于采動覆巖離層注漿技術(shù)的采煤塌陷控制方法［J］.礦山測量，2018，46（2）：52-54.
［3］張旗，耿華樂，錢瑞鵬.榆樹井近距離煤層組“兩帶”高度研究［J］.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2014（3）：195-196.
作者：洛建軍 單位：山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦