晶鑫煤业3133工作面覆岩隔离注浆充填技术研究_张少山.pdf

晶鑫煤业 3133 工作面覆岩隔离注浆充填技术研究 张 少 山 （山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司，山西 晋城 048100 ） 摘要 为解决晶鑫煤业 3133 工作面地面构筑物压煤的问题， 查阅相关的资料提出采用覆岩隔离注 浆充填技术进行 3133 工作面的回采，通过理论分析计算确定注浆充填位置为距煤层 68m 的第三层 关键层下方， 选择粉煤灰作为注浆材料， 确定浆液浓度为 0.7， 设计注浆钻孔的布置参数， 采用 Udec 模拟软件验证应用效果， 地面最大沉降量为 391mm， 最大倾斜值为1.7mm/m， 地表构造物损坏分类 为极轻微损坏， 由此说明， 覆岩隔离注浆充填技术能够在 3133 工作面开采的同时保护地面钢厂。 关键词 沉陷 ； 关键层 ； 粉煤灰 ； 数值模拟 中图分类号 TD 823文献标志码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0077-03 Study on Overburden Isolation Grouting and Filling Technology in Jingxin Coal Industry 3133 Face ZHANG Shaoshan （Shanxi Yangcheng Yangtai Group Jingxin Coal Industry Co. LTD ，Jincheng 048100 ， China ） Abstract In order to solve the problem of ground structure pressing coal in 3133 face of Jingxin Coal Industry, referring to relevant data, it is proposed to use overburden isolation grouting filling technology to recover the 3133 face, and the location of grouting filling is 68m away from the coal seam through theoretical analysis and calculation Below the third key layer, select fly ash as the grouting material, determine the slurry concentration to be 0.7, design the grouting borehole layout parameters, use Udec simulation software to verify the application effect, the maximum ground settlement is 391mm, and the maximum tilt value 1.7mm / m, the surface structure damage is classified as very slight damage, which shows that the overburden isolation grouting filling technology can protect the ground steel plant while mining at 3133 working face. Keywords subsidence ; key layer ; fly ash ; numerical simulation 1工程概况 山西阳城阳泰集团晶鑫煤业股份有限公司位 于山西省阳城县凤城镇卧庄村，现阶段进行 3 煤 层的采掘工作， 煤层厚度最大 - 最小 / 平均4.80～ 2.47/3.65m，煤层倾角 （最大 - 最小 / 平均） 3～ 0/2， 煤层硬度 f4， 煤层节理 （发育程度） 不发育， 煤层多为黑、 灰黑色， 条痕呈灰黑色具强玻璃光泽， 节理和内生裂隙发育， 结构均匀， 性脆易碎， 即将进 行回采的 3133 工作面地面标高为 681710m， 井下 标高 587～596m， 井下相对位置 东侧为实体煤， 南部为 3131 工作面 （正在回采） ， 西侧为三采区运 输大巷， 北部为规划的 3135 工作面 （未掘） ， 该工作 面地质构造相对简单， 无断层、 陷落柱、 褶曲、 裂隙、 火成岩浸入等， 煤层赋存比较稳定， 属简单稳定近 水平煤层。地层走向变化不大，对采掘影响不大。 3313 工作面开切眼侧被地面一座钢厂所覆盖， 详情 如图 1 所示， 受影响储量为 112.5 万 t， 而参考 3131 工作面开采期间地面沉陷特征，预计 3133 工作面 回采将引起地面下沉量达到 2.5m 以上，为开采钢 厂下方的煤体， 需采取适当的治理措施。 图 13133 工作面井上下对照图 2地面构筑物下覆岩隔离注浆充填开采技术 原理 晶鑫煤业 3133 工作面采用全部垮落法管理顶 板工艺进行开采， 将引起地面严重沉陷， 影响地面 钢厂等构筑物， 传统的注浆开采工艺仅能减缓地面 的沉陷， 但并不能从根本上控制地面的下沉， 对于 此类问题目前最新的解决方法为覆岩隔离注浆充 填开采技术，该技术是在传统的充填开采和条带开 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 77 ChaoXing 采的基础上提出的， 其原理如图 2 所示， 采煤工作面 回采后， 采空区中部将形成重新压实区， 通过注浆对 采空中部上覆岩层进行加固， 利用关键层的承载特性 使采空区中部上覆岩层具有良好的支撑能力，在区 段煤柱的共同支撑作用下控制地表的沉陷。 图 2覆岩隔离注浆充填示意图 33133 工作面覆岩隔离注浆充填方案设计 3.1注浆层位分析 根据覆岩隔离注浆充填开采技术原理可知， 高 压浆液主要注入对象为采空区上覆岩层 “弯曲下沉 带” 范围内的关键层下方， 因此首先需要对 3133 工 作面上覆岩层的关键层进行判别， 关键层的显著特 点为具有良好的承载性能， 关键层更为坚硬， 关键 层下沉时其上覆岩层将与其同步下沉， 关键层发生 破断时， 上覆岩层将同步破断， 关键层不会对其下 部岩层产生载荷， 假设第 1 层岩层为关键层， 该关 键层控制 n 层岩层，若第 n1 层岩层为关键层， 则 必然有 qn1＜qn， qx 为第 x 层岩层对关键层施加的 载荷， 其计算公式 （1） （qn）1 E1h13（γ1h1γ2h2γnhn） E1h13E2h23Enhn3 （1） 式中 Ei、 γi、 hi分别表示岩层的弹性模量、 容 重、 厚度， 将各个岩层的相关参数代入式 （1） ， 并通 过 qn1＜qn进行判别， 最终确定 3133 工作面覆岩关 键层 第一层距煤层顶面 12m， 第二层距煤层顶面 46m，第三层距煤层顶面 68m。3133 工作面采高为 3.65m，采空区导水裂隙带发育高度为 11 倍的采 高， 则可知导水裂隙带发育高度约为 40.15m， 为防 止浆液通过导水裂隙带渗流至采空区， 发生跑浆现 象， 注浆层位与导水裂隙带间需多留设 20m 厚的保 护岩层， 所以注浆层位应距煤层顶面 60.15m 以上， 第三层关键层距煤层顶面 68m， 满足要求， 因此将 注浆层位设置在距煤层顶面 68m 作用的第三层关 键层下方。 3.2确定注浆材料及浓度 覆岩隔离注浆充填技术主要原理为浆液充填 关键层与下方岩层间的空间， 高压浆液在封闭空间 充满后即可支撑上部岩层、 压实下部岩层， 因此充 填浆液并不需要很强的物理力学特性， 具备以下特 点即可 ①具有良好的流动性； ②浆液塑性粘度增 长缓慢， 浆液不会迅速凝固导致堵管等问题； ③材 料广泛、 廉价； ④浆液泌水后收缩量小； ⑤浆液无 毒、 无污染。综合以上特点， 决定采用粉煤灰作为 3133 工作面覆岩隔离注浆材料。 塑性粘度对于浆液 的流动性、 凝固时间、 充填效果具有显著影响， 因此 可根据不同浓度浆液塑性粘度的变化来确定合理 的浆液浓度， 参考相关的研究成果， 8 种粉煤灰浆液 的塑性粘度随其浓度的变化规律如图 3 所示， 当浆 液浓度小于 0.6 时，塑性粘度增长缓慢，浓度大于 0.7 时， 塑性粘度迅速增大， 因此通常浆液浓度应选 择在 0.60.7 之间， 考虑到 3313 工作面存在较多断 层， 浆液较低时存在较大的跑浆风险， 因此设计浆 液浓度为 0.7。 图 3不同浓度条件下浆液塑性粘度变化 3.3地面钻孔位置 晶鑫煤业 3133 工作面开切眼附近煤体被地面 钢厂压覆， 属于工作面部分压煤， 不需要对整个工 作面覆岩进行充填， 仅需对可能影响地面构筑物的 区域进行充填，所以 3313 工作面仅需对工作面切 眼及压煤线之间的区域进行充填。注浆钻孔的布置 方式可分为单孔、 双孔两种， 单孔布置具有工程量 少、 成本低等优势， 但是容易发生堵孔导致设计的 填充区域无法注实， 充填效果无法保证。双孔注浆 的优势在于， 当一个注浆孔出现堵孔现象后， 可通 过同组第二个钻孔继续注浆，使注浆效果更有保 证， 因此确定采用双孔注浆工艺。参考类似地质条 件下的成功应用经验[2-3]， 确定注浆压力为 8MPa， 注 浆钻孔的扩散半径与注浆压力、 注浆时机、 浆液浓 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 78 ChaoXing 度等因素密切相关， 准确的确定浆液的扩散半径较 困难，通过工程类比设计 3133 工作面采用五组注 浆钻孔， 每组两个钻孔间距 2040m， 组与组间间距 100200m， 钻孔布置详情如图 4 所示。 图 4注浆钻孔布置示意图 4应用效果模拟分析 根据晶鑫煤业 3133 工作面附近钻孔柱状图及 各个岩层的参数，采用 Udec 模拟软件建立相应的 数值模型[4]， 模型宽度为 1500m， 高度为 180m， 模型 X 轴方向为工作面长度方向， Y 轴方向为竖直方向， 3133 工作面长度为 160m， 采高为 3.65m， 上覆岩层 总厚度为 110m， 其中松散层厚度为 30m， 共三层关 键层， 注浆钻孔布置在工作面中部， 煤层和岩层本 构模型采用摩尔 - - 库伦模型， 模式方案 将煤层一 次挖出， 采用 pfix 命令对第三层关键层下方进行注 浆， 向离层区域施加压力模拟浆液充填， 煤层开挖 和浆液充填同时进行， 在模型顶面布置测线监测地 面的位移情况， 整理得到图 5 所示结果。 （a） 地表垂直位移 （b） 倾斜值 图 53133 工作面开采后地面沉降量变化规律 根据图 5 所示结果可以看出，晶鑫煤业 3133 工作面采用覆岩隔离注浆充填开采后， 引起地面以 工作面中部为中心对称下沉，地面最大沉降量为 391mm，最大倾斜值为1.7mm/m，地面沉降量较 小， 根据建 （构） 筑物损坏等级划分标准， 地表变形 的倾斜值 i≤3.0mm/m，损坏分类为极轻微损坏， 建 筑物处于 I 级的损坏等级，地面构筑物处理方式为 不修， 地面构筑物基本不会发生损坏。 综上可知， 采用 覆岩隔离注浆充填技术能够有效避免 3133 工作面开 采影响地面钢厂的稳定，解放压煤量 112.5 万 t， 在 开采的同时保护钢厂。 5结论 参照晶鑫煤业 3131 工作面开采地面沉降特 征，预计 3133 工作面采用传统的回采工艺将影响 地面钢厂的稳定性， 因此提出采用覆岩隔离注浆充 填技术来控制地表的下沉， 根据覆岩隔离注浆充填 开采技术原理确定注浆层位， 通过分析计算确定注 浆位置为距离煤层顶面 68m 的第三层关键层下方， 选择粉煤灰作为注浆材料，确定合理浆液浓度为 0.7， 设计双孔注浆工艺， 确定注浆钻孔的布置间距 和注浆压力，通过数值模拟研究考察方案的可行 性， 3133 工作面采用覆岩隔离注浆充填技术回采 后， 地面最大沉降量为 391mm， 建筑物处于 I 级的 损坏等级， 损坏分类为极轻微损坏， 在开采的同时 保护了地面钢厂。 参考文献 [1] 李涛. 阳泉矿区铁路隧道下覆岩隔离注浆充填开采实践 [J].煤矿安全,2020,51 （02） 155- 158. [2] 陈登金. 覆岩隔离注浆充填开采技术在寺家庄矿的应用 研究[J].神华科技,2019,17 （08） 44- 46. [3] 李吉田. 孔庄煤矿 7434 工作面构筑物压煤覆岩隔离注浆 充填开采方案研究[D].中国矿业大学,2019. [4] 孟辉,丁乃锋,郑兆伟.王楼煤矿 13307 工作面覆岩隔离注 浆充填技术适用性评价 [J]. 内蒙古煤炭经济,2019 （07） 131143. 作者简介 张少山 （1992-） ， 男， 汉族， 山西省阳城人， 2014 年 1 月 毕业太原理工大学矿山机电专业， 助理工程师， 晶鑫煤业总 工办技术员， 研究方向 采煤、 掘进巷道支护。 （收稿日期 2020- 6- 5） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 79 ChaoXing