1、煤矿开采覆岩离层注浆减沉技术煤矿开采覆岩离层注浆减沉技术2014年12月6日煤矿开采覆岩离层注浆减沉技术一、技术背景地下采矿形成地下空洞并逐步发展至地表，致使地面塌陷，形成地表塌陷，可造成环境破坏、农田绝产、道路交通受阻、地面建筑设施损坏，甚至危及人身安全。在地下采矿的同时如果采取适当措施，及时充填采空区可减少或避免这种危害的影响，例如目前经常采用的水砂充填法、干式充填法和胶结充填法等等。覆岩离层注浆充填则是一种正在研究和有待于进一步完善的技术手段。该项技术的核心是在采空区上方地表适当位置打钻，通过钻孔高压将电厂粉煤灰与水按照一定的比例（粉煤灰浓度30-70%）配成浆液注入到导水裂隙带以上的弯
2、沉带地层中，达到控制与减缓地表沉降的目的。在实施该项技术中，掌握覆岩破坏及离层的形成位置、发展规律、注浆时机、压力控制和浆液在离层空间的流动形式是技术的关键。二、覆岩离层注浆减沉关键理论（一）采空区上方离层形成与发展过程研究 实施覆岩离层注浆充填方法，必须有效控制注浆层位、注浆时机和注浆压力，这些因素与采空区上方离层形成与发展过程密切相关。用相似材料模拟实验方法，对长壁式采煤全部垮落法管理顶板采动过程中覆岩塌陷与沉降规律进行模拟，实验结果表明，在工作面推进过程中，随着采空区面积的不断扩大， 煤层上方的岩层按着一定的垮落步距顺序垮落。根据覆岩破坏形式，一般将破坏区划分为三带，即冒落带、断裂带和弯
3、曲带。在离层注浆工程中，为防止浆液溃入井下，注浆层位应选择在导水裂隙带以上的弯曲沉降带内。采动过程中覆岩的沉降、变形与断裂过程如图1，图中hi为离层带的位置；Hm为冒落带高度；Hd为断裂带高度；Hz为整体弯沉带；hb为保护层厚度；W（x）为地表下沉曲线。 图1 覆岩破坏与离层发展示意图由图1覆岩沉降与离层发展过程可以看出，随着采场范围的扩大，离层带逐渐向上发展，如果在设计位置实施注浆，及时充填离层空间，可阻止其沉降和离层进一步向上发展，达到减缓上覆岩层及地表沉降，减少和消除其危害的目的。离层空间内的边界条件较为复杂，浆液的流动与注浆压力、离层空间的几何尺寸、位置、岩层的渗透性能有直接关系。离层
4、空间内任意点的沉降量可用连续函数来描述，设其沉量为W（x，y），则，式中，m为开采矿层厚度；q为下沉系数；a为煤层倾角。各参数由实测资料用综合分析方法求得。（二）注浆压力控制在采动过程中，及时高压充填已形成的离层空间对减缓和阻止沉降和离层向上发展至关重要，关系到整个注浆减沉工程的成败。在开采超前影响线到达离层带位置前，应实施高达10Mpa以上压力注浆使其在预定位置及早形成离层。在形成离层前泵压相对较高，在高压力作用下，于岩层内部可形成劈裂水楔，促使离层在设计位置及早地形成并保证不至于过早地闭合。一旦形成离层空间，泵压将急剧下降，此时应提高浆液浓度，加大注浆量并持续注入，以保证及时地充填离层空间
5、。（三）浆液在离层空间内的流动形态由于离层空间形成的大小、时间、位置、围岩的渗流流量、地下采矿工作面的推进速度、停止位置等因素与注浆能力及流量有直接关系，可将注浆液体在离层空间内的流动分为以下三种形式1.以钻孔为中心的径向流动。离层带内充填介质首先在以钻孔为中心的一定半径内沉积，钻孔至周围，流速由大到小分布，如图2。图2 以钻孔为中心的径向流动与沉淀随着开采范围的增大，在一定的时间段内离层空间达到最大值，如果注浆量达不到设计要求，泵压可能接近零，甚至降为负压而产生虹吸现象，此时应加大注浆量和注浆浓度，以提高注浆效果。 2.以明渠“挟质”形式流动。由相似材料模拟实验可知，在离层空间足够大的情况下
6、(离层空间未充满浆液)，充填浆液在离层空间内将以非恒定明渠流的方式从注浆孔位置开始向远处流动，水流挟带粉煤灰并将其输送到离层空 间的边缘，如图3。图3 离层空间内未充满浆液时的流动状态此时，根据临界流速的大小，可将水流对灰质的运移输送分为推移质流动、悬移质流动和垂直于流动方向的横向扩散运动三种形式。对于悬移质流动，临界流速和水流的挟质能力是两个重要的参数，与浆液的配置浓度、灰沙含量、比重、流道断面的形态、水深和水力坡度等因素有关。对于所配置的不同浓度或重度的灰浆，使其达到悬移质输送状态，其临界流速是不同的，可用实验方法或经验公式求得。3.饱和密实挤压注浆充填。当地下工作面推进已停止，地面尚未达
7、到充分采动影响，离层空间已被浆液充满且范围不再扩大，此时所进行的高压注浆称为密实挤压充填注浆，如图4。 图4 饱和密实挤压注浆充填由于注入在离层空间内的高压浆液作用于四周的围岩，挤压其下部岩层， 使岩层移动过程中所形成的裂隙和碎裂空间被压实。此时的岩体可视为多孔介质，在渗透力的作用下，通过围岩水被渗流扩散，固体充填物脱水沉淀。在不断注入的浆液及水的作用下，充填质体积和密实程度不断增加，进而支撑了上覆岩层，阻止或减小其弯曲下沉。三、覆岩离层注浆减沉关键技术与设备（一）工作面减沉注浆技术1.工作面离层注浆减沉可行性技术分析。影响离层发育过程的主要因素：采动充分程度；上位与下位岩层的抗弯刚度比。2.
8、钻孔数量与位置。根据充填流体在离层裂隙内径向运动规律确定，通常钻孔间距为60-120m。3.导水裂隙带的确定。确定导水裂隙带高度有两个方法：一是按 “三下”开采规程算得，通常为30-160m；二是工程类比法。4.离层层位的判别、注浆段的选择和终孔深度的确定。离层层位应具备上硬下软、且硬岩较厚的条件，通常判断离层层位为上位与下位岩层抗弯刚度相差较大层位，终孔深度为离层层位深度。5.成孔结构。冲击层井径通常为214mm，下2 l 9mm套管，基岩面至离层底板井径190mm，下168mm套管。水泥固井至井口，注浆管为89mm钢管，在注浆段钻成筛管。（二）注浆系统及设备注浆系统及设备由供灰系统、搅拌系
9、统、加压装置、输将系统等组成，如图5。1.供灰系统利用电厂的排灰系统，浆液直接流入中转蓄浆池，再经泥浆泵送人注浆站或灰罐（2个，100t/罐）。2.注浆设备高（中）压注浆泵，泵量10-50m3/h，泵压5MpaMpa以上；蓄水搅拌池，容积不小于20m3；泥浆泵，转速640r/h以上。3.输将管路输将管建议采用4PS-35Mpa-76mm型耐压钢管。图5 注浆系统示意图（三）注浆施工1.浆液处理粉煤灰因煤质不同，会出现一定量的焦渣，必须在入泵前处理掉直径大于3mm的焦渣，可采取二级过滤除渣措施：一是在电厂排浆管的出口安装斜坡过滤筛；二是在注浆站搅拌池上安装振动筛。完成两次过滤。 2.浓度控制注浆
10、减沉的关键是注入离层的粉煤灰的多少。浆液浓度低，不但达不到预期效果，而且增加无效的投资；浓度过大，则增加输浆阻力，不利于连续注浆 所以，把保证浆液浓度做为一顺重要措施。通常水灰比为3:7-7:3，根据粉煤灰特质考察确定。四、上覆岩离层注浆减沉实例（一）开滦唐山煤矿在回采工作面利用粉煤灰覆岩注浆减沉开滦唐山煤矿从1998年4月开始利用粉煤灰回填矿井，经过7个多月的工作取得了较好的效果。一是利用了大量的粉煤灰，二是有效地减少了地面的下沉。为检验注浆的效果，在注浆工作面上方的地面埋设了55个观测点，在走 向方向1000m的距离内埋了32个点，倾斜方向埋了23个点。按推进度算，在工作面推进到检测点3.
11、45m 前，每推进1m，减沉值由之前类似条件未注浆时地表下沉2.13mm，注浆后下沉0.23mm。注浆减沉条件下，采后8个月零10d，地表沉陷稳定后，实测地表最大下沉值为187mm。（二）开滦范各庄矿在公路、铁路桥下放顶煤开采注浆减沉范各庄矿利用废弃粉煤灰作为充填材料，对桥下采后产生的冒落带、裂隙带、离层带和冲积层及时进行注浆充填，最大程度地减少地表沉降幅度，其中铁路桥下开采煤厚达6.5米，地表最大下沉仅0.135米，达到了国内领先水平，有效地保护了桥梁，创造了比较好的经济与社会效益。（三）山东阳光矿业有限公司崖头煤矿采动覆岩离层注浆减沉崖头煤矿设计能力30万t/a，储量2160万t，矿区范围
12、内公路总里程7.5km，占压煤量约500万t。 预计成效：注浆充填后，地面下沉量不足200mm，新增经济产值200亿元（实际效果正在考察）。（四）淮北矿务局注浆工程应用实例淮北矿务局在企业内部16个工作面成功应用注浆减沉技术，达到 “三下一上”安全回采效果，地面建筑不搬迁目标。工作面回采后破坏范围在级范围内，沉降值在200mm以内，并实现淮矿集团大楼在采空区内地基加固成功建设，楼层高度达30层。现注浆技术可实现随采随注减沉、采后注浆充填减沉和采后注浆加固。淮北矿务局历年注浆工程如表1（具体沉降效果正在考察）。序号工程名称施工时间注浆钻孔总数类别1刘店104采区注浆2009年8月5日2012年8
13、月6日6减沉2刘店103采区注浆2010年1月30日2012年3月18日5减沉3刘店1018工作面注浆2012年6月20日2013年11月25日4减沉4刘店766工作面注浆2012年4月1日2013年5月13日2减沉5刘店768工作面注浆2014年1月1日至今3减沉6海孜1022工作面注浆2009年10月18日2011年8月24日6减沉7海孜1031工作面注浆2010年1月22日2010年11月3日4减沉8海孜1033工作面注浆2010年12月20日2011年12月31日2减沉9海孜1026工作面注浆2013年9月26日至今6减沉10祁南366工作面注浆2012年3月22日2013年1月28日6减沉11杨庄644工作面注浆2013年4月2日至今1（输）+5（注）减沉12杨庄513工作面注浆2014年9月1日至今4减沉13杨庄5210工作面注浆2014年9月12日至今2减沉14临涣1032工作面注浆2009年4月4日至今3减沉15袁二7226工作面注浆2013年6月28日2013年12月15日4减沉16袁二7223工作面注浆2014年4月20日至今6减沉17淮矿集团大楼注浆13地基加固18桃园、杨庄堵水表1：淮北矿务局历年注浆工程一览表五、附件附件1：利用粉煤灰覆岩注浆减沉附件2：唐山矿覆岩注浆减沉的工程实践附件3：崖头煤矿采动覆岩离层注浆减沉技术附件4：桥下放顶煤开采减沉注浆技术
