地下煤层开采覆岩离层注浆减少地面沉陷技术

地下煤层开采覆岩离层注浆减少地⾯沉陷技术钟亚平

(开滦集团有限责任公司?唐⼭063018)

摘　要　煤矿井下开采使上覆岩层陷落⽽造成地⾯沉陷及建筑物破坏,严重制约当地经济发展、影响企业经济效益和煤炭资源的回收,并由此引发⼀系列社会⽭盾,成为煤矿开采亟待解决的紧迫问题。开滦集团公司唐⼭矿在建筑物下特厚煤层开采中,采⽤地⾯钻孔对覆岩离层缝隙灌注粉煤灰浆,取得减少地⾯沉陷,实现综采放顶煤。⾼产⾼效安全开采、提⾼经济效益和社会效益的综合效果,是解决地下煤层开采和减少地⾯沉陷⽭盾的⼀项值得推⼴应⽤的有效技术。关键词　地下开采　离层注浆　减少沉陷

GR OUTING INT O ABSCISSION LAYER T O RED UCESUBSIDENCE OF SURFACEZhong Y aping

(K ailuan Groups Inc1063018)

Abstract:Due to underground mining of coal,there occurs always subsidence of surface.The subsidence not only causesdemage of buildings influencing negatively the normal production and living order but also creates a series of social

troubles.To ensure safe underground mining of coal without losses resulted from surface subsidence,Tangshan Coal Mine ofK ailuan Groups Inc1has successfully adopted the technology of grouting into abscission layer and achieved good economicas well as social benefits.This technology is of great worth to be spreaded.

K eyw ords:Underground mining,Grouting into abscission layer,Reduction of surface subsidence

煤矿开采地下煤层,引起上覆岩层冒落,进⽽造成地⾯沉陷,使建筑物变形破坏,农⽥变成坡地影响耕种,甚⾄塌陷成坑积⽔绝产。煤矿企业为以上开采后果承受着巨⼤的经济负担,同时也给环境造成破坏,影响当地经济的发展和社会稳定,引发⼀系列社会⽭盾。如为减少地⾯沉陷采⽤条带开采或充填采空区,势必造成开采⼯艺复杂、⽣产能⼒受到、增加成本导致企业亏损,资源回收率低⽽使矿井寿命缩短等影响煤矿⽣存和发展的重⼤问题。所以,进⾏开采沉陷控制,对实现煤炭资源的合理开发,保护好地⾯环境,做到煤炭⼯业和社会经济可持续发展以及保持矿区稳定具有重⼤意义。采⽤地⾯钻孔对煤层开采后上覆岩层形成的离层带的缝隙进⾏粉煤灰浆充填,能够有效地减少开采引起的地⾯沉陷,取得煤矿经济开采,资源合理回收,减少电⼚粉煤灰地⾯储存的综合效果,较好地解决了地下开采与保护环境的⽭盾。实现煤矿企业与地⽅经济共同发展。该项技术值得在有条件的矿区采⽤,特别是我国东部经济发达地区更应积极推⼴使⽤。1　减少地⾯沉陷的技术途径

已有的地下开采减少地⾯沉陷的技术都是在井下开采时,或是遗弃⼤量资源⽤于⽀撑上覆岩体不垮落,或是⽤其它物质对采空区进⾏充填,以⽀持上覆岩体不垮落来实现的。前者使资源回收率⼤⼤降低,缩短矿井寿命,影响投资效益;后者则使⽣产⼯艺复杂、成本⾼、效率低,还要有充填物资的充⾜来源,并必然使开采效益差,甚⾄出现亏损⽽难以为继。⽽“地下煤层开采覆岩离层注浆减沉技术”是采⽤地⾯钻孔对开采后的上覆围岩离层带缝隙进⾏粉煤灰浆充填,从⽽有效地减少开采引起的地⾯沉陷。它既能保证资源的合理回收,⼜使资源开采和控制沉陷两个⽣产⼯艺分别进⾏,互不影响,从⽽⼤⼤提⾼⽣产效率、降低成本,技术经济效果显著。

111　煤层开采上覆岩层的变形规律

煤采地层为沉积岩,属层状结构。在⼀般地质条件下,煤层开采后上覆岩层发⽣移动、变形和破14

地下煤层开采覆岩离层注浆减少地⾯沉陷技术

坏,由下往上依次形成冒落带,裂隙带、离层带和弯曲沉降带,⼀直反映到地⾯发⽣沉陷。这已被现场⼯程实测和实验研究所证实(见图1)。在裂隙带之上,由于有软硬岩层相间分布,其抗弯刚度不同,当岩层下⾯存在允许变形空间,且岩层组合是下软上硬时,就会在⼀定时间出现岩层之间离层的缝隙,甚⾄会出现多个离层缝隙,形成⼀组离层缝隙带。虽然在离层带内岩层之间有缝隙,但每个岩层⾃⾝是连续的

。

图1　相似材料模拟覆岩离层带照⽚112　离层注浆减沉机理

由于煤层开采后上覆岩层的离层带中会出现离层缝隙,通过地⾯钻孔将具有⼀定压⼒的充填物灌

注到这些离层缝隙中,如果灌注充填物的体积和时间能够适应离层缝隙的发⽣和发展,及时有效地充填离层缝隙,就可能阻⽌往上继续发⽣离层,从⽽使上覆岩层直⾄地⾯不再下沉或是减少下沉。由于离层带各岩层本⾝是连续的,隔阻了液态充填物涌⼊采空区,从⽽不会对正常⽣产带来影响。113　减沉注浆系统与⼯艺为适应煤层开采后上覆岩层离层带的产⽣和发展,必须采⽤泵送充填物经地⾯钻孔灌注到离层带的岩层缝隙中,形成⼀个包括注浆钻孔设计、充填物的制备和加压、输送充填物的管路及各种控制测量器具组成的注浆系统。其⼯艺过程为:在准确把握离层带发⽣发展的过程中,及时有效地将充填物制备———加压———输送⾄离层缝隙中。114　减沉注浆材料的选择

选择注浆材料,既要考虑经管路钻孔泵送的⼯艺要求,⼜要考虑材料来源充⾜,价格低廉,以降低注浆成本,才能使该技术获得较好的经济效益。经过分析⽐较和试验研究,电⼚排弃的粉煤灰是理想的注浆材料,其制浆后流动性好、可满⾜泵送的要求,⼜来源充⾜稳定,就地取材,⽽且可减少储存占⽤⼟地和地⾯环境污染,国家⿎励使⽤。2　注浆减沉技术应⽤实例

开滦唐⼭矿12⽔平北翼7南⽯门下⼭采区的3696⼯作⾯平均采深784m ,属⼆叠系8、9号煤层合区。煤层平均厚度10m ,煤层倾⾓10°。⼯作⾯倾斜长度90m ,⾛向长度380m 。该⼯作⾯对应地表有3193万m 2建筑物,如采⽤搬迁开采预计费⽤为112亿元,企业⽆⼒承受(见图2);为此采⽤地⾯钻孔覆岩离层带注浆减沉技术,井下采⽤综合机械化放顶煤⼀次采全煤厚

。

图2　3696⾯地表建筑物分布⽰意图211　离层带注浆层位设计

该区域地质钻孔资料表明,3696⼯作⾯的上

覆岩层包括第四系冲积层,厚165m ,其以下基岩为⼆叠系岩层,由中砂岩、细矿岩和页岩等硬、软岩层相间组成。经理论计算和相似材料模拟试验,以及该矿岩移观测资料得出,3696⼯作⾯开采后导⽔裂隙带⾼度预计到煤层以上130m 。再往上即为离层带,为防⽌注浆液体渗⼊导⽔裂隙带进⽽涌⼊采空区、决定在导⽔裂隙带以上保留20m 的保护层,把离层注浆最低⾼度设计在煤层以上150m 。经过岩层岩性分析和模拟试验确定,离层主要集中在距煤层以上150～300m 的范围内,主要离层缝隙分别位于187m ,221m ,248m ,272m ,是注浆设计的主要层位。再往上离层缝隙太窄,存在时间也短,不再考虑注浆。212　注浆钻孔设计钻孔设计直接关系到注浆减沉效果。既要考虑减少开采后上覆岩层移动变形对钻孔的破坏,使其在开采期间能较长时间服务;⼜要考虑有利于增加注浆量,提⾼注浆减沉的效果。根据开采范围、采厚和地层条件,共设计2个钻孔。在倾向上,孔位距上回风巷40m ,距下运输巷50m ;在⾛向上,1号孔距⼯作⾯开切眼90m ,2号孔距停采线120m ,两个孔之间相距170m 。钻孔结构设计对应地层条2

4中国矿业2002年第11卷第1期

件和离层带,⾃上⽽下依次为冲积层固井段、基岩固井段、花管注浆段和裸孔注浆段。213　注浆系统该注浆系统由供灰系统、注浆泵站和输浆管路三个主要部份组成(见图3):①供灰系统直接将电⼚排灰管引⼊注浆泵站,并辅之从储灰场取⼲灰的运输设备,以保证浆液浓度的需要;②注浆泵站由⾼压注浆泵、中压注浆泵、压风机、搅拌池、蓄⽔池及⼚房组成;③输送管路是由⾼压钢管组成,连接注浆泵站与1、2钻孔,使粉煤灰浆液注⼊离层带

。

图3　注浆系统⽰意图214　⽅案组织实施

由于上覆岩层离层带的形成要滞后于⼯作⾯开

采的时间,只有当⼯作⾯在从开切眼推出⼀段距离后才能对形成的离层带注浆充填。为超前衔接,注浆初始必须⽤⾼压注浆,以及时适应离层带的发⽣。对离层带注浆量越⼤,地⾯减沉效果就可能越好。为此要尽量延长钻孔注浆的时间、尽量将离层带缝隙注满,既使⼯作⾯已开采结束,也要继续坚持注浆,直⾄离层带不能⾼压注⼊为⽌。3696⼯作⾯从1998年3⽉1⽇开始回采,注浆在1998年4⽉10⽇才能注⼊灰浆。该⾯开采历时915个⽉,累计产煤4617万t ,采出煤体积302407m 3,于1998年12⽉17⽇结束回采;⽽覆岩离层带注浆

延⾄1999年2⽉15⽇才结束,注⼊粉煤灰浆体积为47110万m 3,其中纯灰12116万t 。215　注浆减沉效果21511　地⾯沉陷减缓

为测定地⾯沉陷,在3696综放⾯对应地⾯设置⼆条岩移观测线。从1998年3⽉25⽇⾸次测量并记录起,⾄1999年8⽉25⽇最后⼀次测量为⽌,此时岩层移动已趋于稳定。前后共进⾏观测

24次,实测观测点位置的地⾯下沉最⼤值为169mm ,经推算3696开采经离层带注浆后,其引

起地⾯下沉最⼤值为187mm ,这与未采取覆岩离层注浆地表最⼤下沉预计值1105mm 相⽐,减少下沉918mm ,减沉率为8311%。由于地⾯下沉减缓,建筑物基本完好,未出现⼀级以上破坏,地⾯也⽆明显变形。21512　直接经济效益

该技术⽅案实施共投资322142万元(包括设备及⼚房折旧、钻孔管路施⼯、注浆运营费⽤等),折合吨煤投资6191元/t 。由于注浆减沉效果明显,推迟了急待搬迁地⾯建筑物的巨额费⽤⽀出,加之地⾯沉陷减少,节省农⽥青苗补偿费、⽔淹地征地费和复垦费,以及地⾯建筑物变形破坏减轻⽽节省的维修费等,共获直接经济效益1118万元,投⼊产出⽐为1∶3158,经济效益明显。21513　社会经济效益

开滦唐⼭矿采⽤覆岩离层注浆减沉技术实现特厚煤层综放开采,取得显著的社会经济效益:①⼯作⾯平均⽉产达5万t 以上,维持了矿井产量规模和盈利,保持了矿区稳定;②提⾼资源回收率,⼯作⾯回采率达82184%,⽐井下限厚开采多采出近30万t 煤炭,延缓采掘衔接和延长矿井寿命;③由于井下开采与地⾯钻孔注浆各⾃独⽴进⾏,⽐井下采空区充填减沉技术实施提⾼了⽣产效率、降低运⾏成本;④电⼚排弃的粉煤灰注⼊地下,减少了储灰场占地。按3696⼯作⾯离层注浆共注⼊粉煤灰121660t 计算,减少储灰场征地11252m 2,节省费⽤上百万元;⑤注浆减沉,保持地表原貌,同时⼜减少粉煤灰在地⾯堆积所带来的环境污染,使空⽓质量⼤⼤提⾼,有利于环境保护。

综上所述,采⽤对地下煤层开采所形成的上覆岩层的离层缝隙进⾏地⾯钻孔泵送粉煤灰浆充填,能够有效地减少地⾯沉陷和保护环境,实现井下煤层⾼效安全开采和资源合理回收,获得巨⼤的经济效益和社会效益,是⼀项既能⾼效进⾏地下煤层开采⼜能较好保护地⾯环境的有效控制,应在煤矿⼴泛推⼴应⽤。(收稿⽇期:2001年10⽉7⽇)

〔作者简介〕　钟亚平　开滦集团公司副董事长　总经理　教授级⾼级⼯程师3

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