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關(guān)嶺山煤礦15201 工作面控制采空塌陷的可行性研究

2022-12-10 07:48郎小光
山東煤炭科技 2022年11期
關(guān)鍵詞:層位離層煤柱

郎小光

(山西陵川崇安關(guān)嶺山煤業(yè)有限公司,山西 晉城 048313)

1 工程概況

1.1 概況

山西陵川崇安關(guān)嶺山煤礦15201 工作面開采15#煤層,埋深519~563 m,平均煤厚為5.99 m。15201工作面采用綜采放頂煤一次采全高開采工藝,采放比約為1:1,采用全部垮落法管理采空區(qū),高抽巷與15201 工作面垂直距離為25~30 m。15201工作面“三下”壓覆資源區(qū)地表上方從北向南分布有物流市場(chǎng)、公交車站等建筑物,走向長度785 m。經(jīng)調(diào)研與測(cè)算,若不采取措施地面賠償費(fèi)用將高達(dá)1 億元[1]。

1.2 離層注漿充填技術(shù)分析

離層注漿充填技術(shù)是從地面布置鉆孔將充填料漿高壓注入巖層移動(dòng)變形過程中覆巖內(nèi)形成的離層空間,從而對(duì)離層上覆巖層形成有效支撐作用來控制地表沉陷。相比于其他充填開采方式,其主要優(yōu)勢(shì)為不干擾井下正常生產(chǎn),設(shè)備簡單易于操作,投資少,在控制地表沉陷的同時(shí)又為電廠粉煤灰找到地下存放場(chǎng)所,應(yīng)用靈活,對(duì)局部壓煤開采適用性強(qiáng)[2]。

2 工作面上覆地層巖性特征分析

在采礦影響區(qū)施工勘查孔(GK01 孔),孔深380.5 m。施工設(shè)備為XY-44 型鉆機(jī),TBW250/40型泥漿泵,配備73.5 kW 的4135 型柴油機(jī)和A 字形13 m 鉆塔。

該孔鉆所遇地層深度為64.00 m 的第四系地層和深度380.50 m、厚度316.50 m 的二疊系上石盒子組(未揭穿)地層,地層巖性主要以砂質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖和粗粒砂巖互層組成。上石盒子組地層為砂巖與泥巖互層,巖性差異較大,硬巖與軟巖層之間有利于形成離層空間,可開展離層注漿控制地表塌陷的施工。

鉆孔在鉆進(jìn)過程中未穿見斷層,局部巖層中原生裂隙較發(fā)育,主要表現(xiàn)為縱向高角度節(jié)理裂隙。裂隙的發(fā)育對(duì)離層注漿不利,易造成漿液漏失,注漿層位選擇中應(yīng)盡量避免該空間。簡易水文觀測(cè)結(jié)果顯示消耗量基本保持在0.01~0.18 m3/h,水位為0.00~17.87 m。煤田內(nèi)各泥巖層的隔水性能較好,上下層的水力聯(lián)系較弱,可有效防止離層注漿過程中漿液水的向下滲透。

3 注漿充填參數(shù)的確定

3.1 關(guān)鍵層層位判斷

采用關(guān)鍵層判別方法判別關(guān)鍵層的層位,計(jì)算得到各關(guān)鍵層信息及其對(duì)應(yīng)的工作面采寬,計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 關(guān)鍵層詳細(xì)信息一覽表

單一關(guān)鍵層時(shí),計(jì)算主關(guān)鍵層、亞關(guān)鍵層4、亞關(guān)鍵層3、亞關(guān)鍵層2、亞關(guān)鍵層1 極限垮距時(shí)對(duì)應(yīng)的工作面采寬分別為300 m、272 m、212 m、198 m、164 m。

隔離注漿充填開采的承載結(jié)構(gòu)模型可等效為條帶開采。等效的條帶采寬e和采寬a分別相當(dāng)于充填承載區(qū)寬度c(即壓實(shí)區(qū)寬度)和隔離煤柱寬度b,注采比為K(注漿空間與開采空間的比值),充填承載區(qū)寬度按照注采比確定,則充填承載區(qū)寬度為:c=K·a;等效條帶采寬e為:e=(a-c)/2。進(jìn)行等效之后,采寬a、隔離煤柱寬度b滿足下式:

式中:σp為有效隔離煤柱強(qiáng)度,MPa;γ為地層容重,N/m3;H為煤層埋深,m,θ為煤巖剪切角,取15°。σp按比涅烏斯基公式計(jì)算,見下式:

式中:σp為煤試件單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;D為煤試件尺寸,m;M為煤層采高,m;n為系數(shù),煤柱寬高比大于5 時(shí)取1.4,反之取1.0。

煤層單軸抗壓強(qiáng)度取10 MPa,計(jì)算可得安全煤柱寬度應(yīng)不小于57 m。

3.2 兩帶高度確定

15#煤層基本頂以灰白色中厚層中?;蚣?xì)粒砂巖為主,平均厚度6.10 m,砂巖平均抗壓強(qiáng)度80.70 MPa,平均抗拉強(qiáng)度3.1 MPa,平均抗剪強(qiáng)度12.6 MPa,屬于中硬-堅(jiān)硬巖石。按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算求得15#煤層開采的垮落帶高度為23.46 m,裂隙帶高度為74.09 m,兩帶影響的累計(jì)高度為97.55 m。

根據(jù)15201 工作面河下開采試驗(yàn)可知,裂縫帶高度采厚比約為19.96 倍,采厚取5.99 m,得出裂隙帶高度為119.56 m。

3.3 注漿層位確定

(1)注漿層位應(yīng)位于關(guān)鍵層下方離層區(qū)內(nèi),故5 個(gè)關(guān)鍵層下離層均可作為備選層位。

(2)注漿層位需位于裂縫帶上部,且需要留設(shè)5 倍煤層采高左右的圍護(hù)帶厚度,即29.95 m。因此,15201 工作面覆巖離層注漿層位應(yīng)在距煤層頂板149.51 m 以上。

(3)以往經(jīng)驗(yàn),一般情況下注漿層位應(yīng)超過0.3倍煤層埋深。參照GK01 孔附近煤層埋深,取529 m,則注漿層位埋深應(yīng)大于158.7 m 為宜。主關(guān)鍵層埋深為154.1 m,因此主關(guān)鍵層下不適宜作為注漿層位。

分析可知亞關(guān)鍵層1、2、3、4 均滿足注漿要求。同時(shí)考慮關(guān)鍵層巖性、厚度以及煤層距離,并結(jié)合離層注漿工程經(jīng)驗(yàn),確定在注漿層位上方選定合適層位進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿,且補(bǔ)強(qiáng)注漿目標(biāo)關(guān)鍵層位下方應(yīng)存在較厚的低強(qiáng)度軟巖以便進(jìn)行射孔。為確保一次注漿量及注漿效果,應(yīng)在主注漿層位下方安全范圍內(nèi)選定合適層位作為次要注漿層位以作為保障。最終選擇亞關(guān)鍵層2 作為主要注漿層位,亞關(guān)鍵層1 作為次要注漿層位,亞關(guān)鍵層3 作為二次注漿補(bǔ)強(qiáng)層位。高抽巷距離15201 工作面垂直距離為25~30 m,位于15#煤層裂縫帶內(nèi),注漿充填不會(huì)對(duì)高抽巷產(chǎn)生影響。

3.4 工作面寬度及煤柱寬度確定

主注漿層位亞關(guān)鍵層2 所對(duì)應(yīng)的工作面安全采寬應(yīng)不大于198 m,安全煤柱寬度應(yīng)不小于57 m。基于開拓情況,工作面寬度與煤柱寬度之和應(yīng)為235 m,工作面寬度和煤柱寬度應(yīng)相應(yīng)按照同比例進(jìn)行縮小,縮小后的工作面寬度分別為170 m、180 m 和190 m,此時(shí)計(jì)算得到的煤柱最小寬度分別為54 m、55 m 和56 m,最終取工作面采寬為180 m、煤柱寬度為55 m,即可滿足當(dāng)前采場(chǎng)的尺寸要求。

3.5 注漿區(qū)域確定

根據(jù)計(jì)算確定工作面安全生產(chǎn)寬度為180 m,注漿區(qū)域推進(jìn)長度為785 m。

4 注漿充填控制沉陷效果模擬

采用UDEC 軟件進(jìn)行模擬分析,研究15201 工作面開采過程中覆巖的下沉垮落及離層注漿對(duì)地表下沉的控制效果。

15201 工作面基巖上覆約70 m 的風(fēng)砂土層。根據(jù)采煤工作面覆巖關(guān)鍵層理論,風(fēng)砂層為松軟巖層,與下伏基巖表面運(yùn)動(dòng)一致,故模型只模擬了基巖段的變形運(yùn)動(dòng)。模型的節(jié)理劃分方式為硬巖層按理論破斷步距設(shè)置斷裂節(jié)理以分析其斷裂引起的上覆巖層的下沉運(yùn)動(dòng),其他軟巖層只設(shè)水平層理,不設(shè)垂直各傾斜節(jié)理。

模型中巖體、節(jié)理變形破壞模型均為摩爾庫侖模型。數(shù)值模擬中將各煤巖層塊及裂隙面力學(xué)參數(shù)代入U(xiǎn)DEC 軟件進(jìn)行模擬分析,可得工作面注漿充填開采前后的覆巖下沉變形規(guī)律和地表沉陷變形特征數(shù)據(jù)。離層注漿充填前,煤柱應(yīng)力集中程度較高,說明上覆巖層重量主要由煤柱承載,隨著采場(chǎng)范圍的不斷擴(kuò)大,上覆巖層依次破斷,直至主關(guān)鍵層發(fā)生破斷,從而引起地表沉降。離層注漿充填后,在高壓漿體和覆巖的自重作用下,在工作面中部形成充填壓實(shí)區(qū),且注漿充填后的煤柱應(yīng)力集中程度降低,在煤柱和充填壓實(shí)體的共同承載下,可保持主關(guān)鍵層不發(fā)生破斷,進(jìn)而有效控制地表下沉。

依次回采15201、15203 工作面后,15201 工作面上覆巖層離層區(qū)不進(jìn)行充填,模擬得到地表移動(dòng)變形規(guī)律數(shù)據(jù)。依次回采15201、15203 工作面后,15201 工作面上覆巖層離層區(qū)進(jìn)行充填,模擬得到地表移動(dòng)變形規(guī)律數(shù)據(jù)。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可得到離層區(qū)是否充填對(duì)地表移動(dòng)變形的影響。通過覆巖離層注漿可使地表建筑物損壞程度達(dá)到《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓強(qiáng)開采視范》(2017 年版)中的Ⅲ級(jí)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。因此,從保護(hù)地表建筑物的角變看,開采15201 工作面時(shí)進(jìn)行覆巖離層注漿可對(duì)地表建筑物進(jìn)行有效保護(hù)。

5 結(jié)論

結(jié)合關(guān)嶺山煤礦地質(zhì)條件對(duì)離層注漿充填技術(shù)方案進(jìn)行了論證,確定了15201 充填工作面寬度為180 m,煤柱寬度為55 m。依據(jù)GK01 孔鉆探成果確定亞關(guān)鍵層2 可作為主要注漿層位,亞關(guān)鍵層1可作為次要注漿層位,亞關(guān)鍵層3 可作為二次注漿補(bǔ)強(qiáng)層位。注漿層位埋深為249.7~338 m,位于二疊系上石盒子組。數(shù)值模擬結(jié)果表明,實(shí)施覆巖離層注漿工程可有效減少地表下沉,使地表建筑物滿足保護(hù)需求,確保礦井安全高效開采,可釋放“三下”煤炭資源量約118 萬t。

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