相邻工作面重复注浆充填开采减沉效果浅析

相邻工作面重复注浆充填开采减沉效果浅析

张耀武

淮北矿业集团袁店二井煤矿，安徽亳州 233665

摘 要：单一工作面注浆充填不迁村开采研究已很成熟，根据已有工作面注浆充填开采的原理，及单一工作面注浆充填开采对地面村庄的下沉影响范围分析，提出在相邻工作面重复进行注浆充填开采；利用概率积分法预测出相邻工作面重复注浆充填开采后的下沉曲线，对比分析相邻工作面重复注浆充填后地面下沉的观测数据，验证注浆充填开采理论研究的可行性与可靠性。

关键词：村庄压煤；相邻工作面注浆充填；沉降曲线

引言：建筑物下采煤一直是困扰我国煤矿企业的重大问题。由于部分矿区资源的逐渐枯竭，建筑物下采煤逐渐受到关注。建筑物下压煤的成功开采，对提高煤炭资源利用率，缓解矿井资源紧张局面具有重大意义。特别是对经济相对发达的华东、华北地区而言，随着土地资源的紧张和征迁费用的提高，煤矿建筑物下不迁村开采势在必行。我矿2采区大部分处在甲、乙村庄压煤范围内，注浆充填开采首采面的成功开采为我矿后续注浆充填不迁村开采积累了宝贵的经验，在C工作面注浆充填开采后，相邻的B工作面成为了我们研究的新方向，开采后面临的地面村庄下沉问题一直是我们最关注的，B工作面回采前、回采中、回采后我们都进行了大量的沉降观测与数据分析，确保回采后地面村庄建筑物损坏程度处在Ⅰ级损坏范围内。

1.概 述

1.1 B工作面概况。B工作面东邻C工作面（已回采注浆充填工作面），西邻A工作面（已回采）；南邻F高-13断层，北至 F高-11 断层。开采煤层为72煤，煤层平均厚度 3.8m，煤层倾角平均9°。工作面外段 362m 处于村庄保护煤柱内。C工作面示意图如图1。

1.2 建筑物压煤情况。B工作面面临村庄压煤问题。乙村庄占地面积约350亩，涉及到户数约200户，人口近千人，村庄内建筑物主要为二层、三层砖混结构。如果直接进行开采，将导致乙村庄发生破坏，会带来严重的社会影响与得不偿失的后果。且先期C工作面已实施了注浆充填不迁村开采，因此，村庄压煤是影响B工作面开采的关键因素。B工作面外段局部被乙村庄所压覆，压覆段走向长度262m，工作面与村庄最近点309m。

2.注浆充填开采技术原理

“覆岩隔离注浆充填不迁村采煤技术”是由中国矿业大学许家林教授领导的“岩层移动与绿色开采”课题组研发的一种高效低成本充填技术，其原理是：设计合理的工作面采宽并留设一定宽度的隔离煤柱控制相邻工作面均处于非充分采动状态，通过地面钻孔高压注浆充填离层区，最终形成“充填压实区－隔离煤柱－关键层”承载结构，转移隔离煤柱承担的覆岩载荷，减小隔离煤柱宽度，提高采出率，控制地表沉陷，实现不迁村采煤。其技术原理如图2。

2.1 B工作面注浆充填技术实用性分析。①基岩厚度及岩性分析：B工作面压煤影响区域埋深、基岩厚度均满足要求。煤层埋深 373～468m，基岩厚度为113～178m，具有选择注浆层位的条件。②隔离煤柱分析：受WF15断层影响，B工作面与C工作面之间相距较远，该煤柱宽度达到12～72m，已采的A工作面积水区水头标高在B工作面标高以下，且已对C工作面积水区进行放水，都利于B工作面实施注浆充填与地表沉陷控制。③断层分析：B工作面附近存在两条大断层，机巷附近的WF14断层，落差0～7m，倾角70°，预计注浆充填可导通该断层。巷道揭露该断层段需注浆加固。风巷侧的WF15断层也位于工作面外侧，存在浆体导通该断层的可能，对风巷揭露段进行加固后，预计其对B工作面安全开采无影响。④外部条件适宜：外部条件方面，具有实施注浆充填所需的场地、水电、粉煤灰等。

2.2 C工作面注浆减沉效果评价。C工作面位于乙村庄西部，工作面距乙村庄最近处为160m,该面注浆充填日期为2018.1-7月，期间村庄边下沉44mm，注浆结束后地面沉降观测站连续观测6个月,村庄边下沉10mm,截止到2019年1月村庄边累计最大下沉54mm，最大变形约0.2mm/m，最大倾斜约0.5mm/m，仍处于I级损坏以内。

2.3 注浆充填开采条件下的地表沉陷预计。在考虑C工作面已开采的基础上，采用概率积分法对B工作面回采后的地表移动变形进行了预计（表1、表2），根据预计结果可知，若直接开采压煤区域，乙村庄最大下沉190mm，村庄建筑物达到Ⅱ级破坏。采用注浆充填开采压煤区域，乙村庄最大下沉不超过120mm，村庄建筑物控制在Ⅰ级破坏以内（图3）。

表1 B工作面采用全部垮落法开采后的地表移动变形预计值

表2 B工作面实施注浆充填开采后的地表移动变形预计值

3.B工作面注浆期间村庄沉降控制措施

3.1 建立沉降观测站。在B工作面回采前，利用已有的C工作面回采期间的观测点，共建立走向2条，倾向3条共5条沉降观测线，并进行初期全面观测。2019年11月测得受C工作面影响的乙村庄边的点累计下沉70mm。

3.2 B工作面注浆期间地面沉降控制措施。B工作面正式注浆期间，每周观测工作面上方及村庄边观测点下沉数据，一旦下沉速度达到1.67mm/d，会立即进行如下措施：①工作面立即进行限采，每天采煤步距不超过1.6m，确保工作面不再过大的影响地面下沉速度。②地面注浆站加大注浆量并加大注浆浓度，提高浆液的浓度使关键层位的浆液析出水的速度下降，增加粉煤灰沉淀的速度，起到减沉的效果。③控制注浆的压力，在地面下沉加大的过程中，控制注浆的压力在一个经验压力值范围内，使地面下沉减缓，而且不会使地面因压力过大而鼓起。④加大观测频率，正常一周观测一次，遇到地面下沉速率加大时，加大观测频率到3天，及时分析下沉数据及规律，以便随时掌控各项措施的变动。

4.注浆期间地面变形情况分析

（1）B工作面在开始回采后，存在两种下沉趋势：①注浆前，乙村庄边的点存在交替上升与下降现象，且在2019.11-2020.7月期间，总下沉在10mm左右，说明工作面回采对乙村庄有影响，但影响程度很小。②2020年7月开始注浆后，因工作面回采至乙村庄压煤线以内，村庄边上的点下沉较快，最大下沉速度为每天1.4mm/d，因下沉速度未超过1.66mm/d，故在此期间只进行了浆液浓度增大，增加注浆量等措施，同样达到了增大注浆压力的目的，加上每三天观测一次的加密观测措施，达到了减沉及安全监测的目的，因而工作面并未并未进行限产，村庄边下沉速度也得到了很好的控制，在11月底回采结束时，乙村庄边的点累计最大下沉在32mm。

（2）工作面回采结束后，我们又连续对B工作面观测站进行了3个月的观测，从2020.12-2021.2月，村庄边下沉6mm,累计下沉38mm，基本实现了稳沉。

（3）从2019年11月到2021年2月，共进行了57次观测，乙村庄边最大下沉点周期内下沉38mm，自2017年开始观测到现在，累计下沉108mm,最大变形约0.9mm/m，最大倾斜约1.7mm/m，仍处于I级损坏以内。

结语：①相邻工作面重复注浆充填开采需要研究一系列前提条件：首先对相邻注浆充填工作面进行注浆后评价，从地层下注浆充填效果和地面下沉数据直观评价，其次对需要注浆的工作面进行可行性研究和注浆效果预计，在条件都适宜的情况下才可考虑进行注浆充填。②在相邻工作面都采用注浆充填方法进行开采期间，做好长期地面沉降观测的数据收集分析，确保工作面注浆期间能够及时掌握地面下沉规律并及时控制地面下沉速度。③通过收集相邻工作面重复注浆充填开采前后的数据，分析对比实际数据和预计效果可知，概率积分法得到的预计效果与实际数据基本相符，相邻工作面重复注浆充填开采研究值得推广。

参考文献:

[1]倪建明，许家林，轩大洋.采动覆岩分区隔离注浆充填不迁村采煤技术[C].煤炭开采新理论与新技术——中国煤炭学会开采专业委员会，2012年学术年会论文集 2012-08，中国新疆乌鲁木齐: 中国矿业大学出版社，2012:114-122.

[2]马军.淮北矿区注浆充填开采地面沉降规律及分析研究［J］.矿山测量，2020，48(2):23-26.

[3]杨可明.淮北矿业涡北煤矿重要建筑物下安全开采的岩层与地表变形监测分析研究[D].

作者简介：张耀武（1987-），男，汉族，工程师。2012年毕业于河南理工大学测绘工程专业，长期从事矿山测量、地表岩移规律、地质环境综合治理等方面技术管理及研究工作。

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