煤礦開采覆巖離層注漿減沉技術(shù)

z.煤礦開采覆巖離層注漿減沉技術(shù)2014年12月6日目錄一、技術(shù)背景1二、覆巖離層注漿減沉關(guān)鍵理論1〔一〕采空區(qū)上方離層形成與開展過程研究1〔二〕注漿壓力控制2〔三〕漿液在離層空間的流動形態(tài)3三、覆巖離層注漿減沉關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備5〔一〕工作面減沉注漿技術(shù)5〔二〕注漿系統(tǒng)及設(shè)備5〔三〕注漿施工6四、上覆巖離層注漿減沉實例7〔一〕開灤煤礦在回采工作面利用粉煤灰覆巖注漿減沉7〔二〕開灤各莊礦在公路、鐵路橋下放頂煤開采注漿減沉7〔三〕礦業(yè)崖頭煤礦采動覆巖離層注漿減沉7〔四〕礦務(wù)局注漿工程應(yīng)用實例7五、附件8附件1：利用粉煤灰覆巖注漿減沉8附件2：礦覆巖注漿減沉的工程實踐8附件3：崖頭煤礦采動覆巖離層注漿減沉技術(shù)8附件4：橋下放頂煤開采減沉注漿技術(shù)8-z.煤礦開采覆巖離層注漿減沉技術(shù)一、技術(shù)背景地下采礦形成地下空洞并逐步開展至地表，致使地面塌陷，形成地表塌陷，可造成環(huán)境破壞、農(nóng)田絕產(chǎn)、道路交通受阻、地面建筑設(shè)施損壞，甚至危及人身平安。在地下采礦的同時如果采取適當(dāng)措施，及時充填采空區(qū)可減少或防止這種危害的影響，例如目前經(jīng)常采用的水砂充填法、干式充填法和膠結(jié)充填法等等。覆巖離層注漿充填則是一種正在研究和有待于進(jìn)一步完善的技術(shù)手段。該項技術(shù)的核心是在采空區(qū)上方地表適當(dāng)位置打鉆，通過鉆孔高壓將電廠粉煤灰與水按照一定的比例〔粉煤灰濃度30-70%〕配成漿液注入到導(dǎo)水裂隙帶以上的彎沉帶地層中，到達(dá)控制與減緩地表沉降的目的。在實施該項技術(shù)中，掌握覆巖破壞及離層的形成位置、開展規(guī)律、注漿時機(jī)、壓力控制和漿液在離層空間的流動形式是技術(shù)的關(guān)鍵。二、覆巖離層注漿減沉關(guān)鍵理論〔一〕采空區(qū)上方離層形成與開展過程研究實施覆巖離層注漿充填方法，必須有效控制注漿層位、注漿時機(jī)和注漿壓力，這些因素與采空區(qū)上方離層形成與開展過程密切相關(guān)。用相似材料模擬實驗方法，對長壁式采煤全部垮落法管理頂板采動過程中覆巖塌陷與沉降規(guī)律進(jìn)展模擬，實驗結(jié)果說明，在工作面推進(jìn)過程中，隨著采空區(qū)面積的不斷擴(kuò)大，煤層上方的巖層按著一定的垮落步距順序垮落。根據(jù)覆巖破壞形式，一般將破壞區(qū)劃分為三帶，即冒落帶、斷裂帶和彎曲帶。在離層注漿工程中，為防止?jié){液潰入井下，注漿層位應(yīng)選擇在導(dǎo)水裂隙帶以上的彎曲沉降帶。采動過程中覆巖的沉降、變形與斷裂過程如圖1，圖中hi為離層帶的位置；Hm為冒落帶高度；Hd為斷裂帶高度；Hz為整體彎沉帶；hb為保護(hù)層厚度；W〔*〕為地表下沉曲線。圖1覆巖破壞與離層開展示意圖由圖1覆巖沉降與離層開展過程可以看出，隨著采場圍的擴(kuò)大，離層帶逐漸向上開展，如果在設(shè)計位置實施注漿，及時充填離層空間，可阻止其沉降和離層進(jìn)一步向上開展，到達(dá)減緩上覆巖層及地表沉降，減少和消除其危害的目的。離層空間的邊界條件較為復(fù)雜，漿液的流動與注漿壓力、離層空間的幾何尺寸、位置、巖層的滲透性能有直接關(guān)系。離層空間任意點(diǎn)的沉降量可用連續(xù)函數(shù)來描述，設(shè)其沉量為W〔*，y〕，則，式中，m為開采礦層厚度；q為下沉系數(shù)；a為煤層傾角。各參數(shù)由實測資料用綜合分析方法求得?！捕匙{壓力控制在采動過程中，及時高壓充填已形成的離層空間對減緩和阻止沉降和離層向上開展至關(guān)重要，關(guān)系到整個注漿減沉工程的成敗。在開采超前影響線到達(dá)離層帶位置前，應(yīng)實施高達(dá)10Mpa以上壓力注漿使其在預(yù)定位置及早形成離層。在形成離層前泵壓相對較高，在高壓力作用下，于巖層部可形成劈裂水楔，促使離層在設(shè)計位置及早地形成并保證不至于過早地閉合。一旦形成離層空間，泵壓將急劇下降，此時應(yīng)提高漿液濃度，加大注漿量并持續(xù)注入，以保證及時地充填離層空間?！踩碀{液在離層空間的流動形態(tài)由于離層空間形成的大小、時間、位置、圍巖的滲流流量、地下采礦工作面的推進(jìn)速度、停頓位置等因素與注漿能力及流量有直接關(guān)系，可將注漿液體在離層空間的流動分為以下三種形式1.以鉆孔為中心的徑向流動。離層帶充填介質(zhì)首先在以鉆孔為中心的一定半徑沉積，鉆孔至周圍，流速由大到小分布，如圖2。圖2以鉆孔為中心的徑向流動與沉淀隨著開采圍的增大，在一定的時間段離層空間到達(dá)最大值，如果注漿量達(dá)不到設(shè)計要求，泵壓可能接近零，甚至降為負(fù)壓而產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，此時應(yīng)加大注漿量和注漿濃度，以提高注漿效果。2.以明渠“挾質(zhì)〞形式流動。由相似材料模擬實驗可知，在離層空間足夠大的情況下(離層空間未充滿漿液)，充填漿液在離層空間將以非恒定明渠流的方式從注漿孔位置開場向遠(yuǎn)處流動，水流挾帶粉煤灰并將其輸送到離層空間的邊緣，如圖3。圖3離層空間未充滿漿液時的流動狀態(tài)此時，根據(jù)臨界流速的大小，可將水流對灰質(zhì)的運(yùn)移輸送分為推移質(zhì)流動、懸移質(zhì)流動和垂直于流動方向的橫向擴(kuò)散運(yùn)動三種形式。對于懸移質(zhì)流動，臨界流速和水流的挾質(zhì)能力是兩個重要的參數(shù)，與漿液的配置濃度、灰沙含量、比重、流道斷面的形態(tài)、水深和水力坡度等因素有關(guān)。對于所配置的不同濃度或重度的灰漿，使其到達(dá)懸移質(zhì)輸送狀態(tài)，其臨界流速是不同的，可用實驗方法或經(jīng)歷公式求得。3.飽和密實擠壓注漿充填。當(dāng)?shù)叵鹿ぷ髅嫱七M(jìn)已停頓，地面尚未到達(dá)充分采動影響，離層空間已被漿液充滿且圍不再擴(kuò)大，此時所進(jìn)展的高壓注漿稱為密實擠壓充填注漿，如圖4。圖4飽和密實擠壓注漿充填由于注入在離層空間的高壓漿液作用于四周的圍巖，擠壓其下部巖層，使巖層移動過程中所形成的裂隙和碎裂空間被壓實。此時的巖體可視為多孔介質(zhì)，在滲透力的作用下，通過圍巖水被滲流擴(kuò)散，固體充填物脫水沉淀。在不斷注入的漿液及水的作用下，充填質(zhì)體積和密實程度不斷增加，進(jìn)而支撐了上覆巖層，阻止或減小其彎曲下沉。三、覆巖離層注漿減沉關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備〔一〕工作面減沉注漿技術(shù)1.工作面離層注漿減沉可行性技術(shù)分析。影響離層發(fā)育過程的主要因素：=1\*GB3①采動充分程度；=2\*GB3②上位與下位巖層的抗彎剛度比。2.鉆孔數(shù)量與位置。根據(jù)充填流體在離層裂隙徑向運(yùn)動規(guī)律確定，通常鉆孔間距為60-120m。3.導(dǎo)水裂隙帶確實定。確定導(dǎo)水裂隙帶高度有兩個方法：一是按?“三下〞開采規(guī)程?算得，通常為30-160m；二是工程類比法。4.離層層位的判別、注漿段的選擇和終孔深度確實定。離層層位應(yīng)具備上硬下軟、且硬巖較厚的條件，通常判斷離層層位為上位與下位巖層抗彎剛度相差較大層位，終孔深度為離層層位深度。5.成孔構(gòu)造。沖擊層井徑通常為Φ214mm，下Φ2l9mm套管，基巖面至離層底板井徑Φ190mm，下Φ168mm套管。水泥固井至井口，注漿管為Φ89mm〔二〕注漿系統(tǒng)及設(shè)備注漿系統(tǒng)及設(shè)備由供灰系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、加壓裝置、輸將系統(tǒng)等組成，如圖5。1.供灰系統(tǒng)利用電廠的排灰系統(tǒng)，漿液直接流入中轉(zhuǎn)蓄漿池，再經(jīng)泥漿泵送人注漿站或灰罐〔2個，100t/罐〕。2.注漿設(shè)備高〔中〕壓注漿泵，泵量10-50m3/h，泵壓5MpaMpa以上；蓄水?dāng)嚢璩?，容積不小于20m3；泥漿泵，轉(zhuǎn)速640r/h以上。3.輸將管路輸將管建議采用4PS-35Mpa-76mm型耐壓鋼管。圖5注漿系統(tǒng)示意圖〔三〕注漿施工1.漿液處理粉煤灰因煤質(zhì)不同，會出現(xiàn)一定量的焦渣，必須在入泵前處理掉直徑大于3mm的焦渣，可采取二級過濾除渣措施：一是在電廠排漿管的出口安裝斜坡過濾篩；二是在注漿站攪拌池上安裝振動篩。完成兩次過濾。2.濃度控制注漿減沉的關(guān)鍵是注入離層的粉煤灰的多少。漿液濃度低，不但達(dá)不到預(yù)期效果，而且增加無效的投資；濃度過大，則增加輸漿阻力，不利于連續(xù)注漿所以，把保證漿液濃度做為一順重要措施。通常水灰比為3:7-7:3，根據(jù)粉煤灰特質(zhì)考察確定。四、上覆巖離層注漿減沉實例〔一〕開灤煤礦在回采工作面利用粉煤灰覆巖注漿減沉開灤煤礦從1998年4月開場利用粉煤灰回填礦井，經(jīng)過7個多月的工作取得了較好的效果。一是利用了大量的粉煤灰，二是有效地減少了地面的下沉。為檢驗注漿的效果，在注漿工作面上方的地面埋設(shè)了55個觀測點(diǎn)，在走向方向1000m的距離埋了32個點(diǎn)，傾斜方向埋了23個點(diǎn)。按推進(jìn)度算，在工作面推進(jìn)到檢測點(diǎn)3.45m前，每推進(jìn)1m，減沉值由之前類似條件未注漿時地表下沉2.13mm，注漿后下沉0.23mm。注漿減沉條件下，采后8個月零10d，地表沉陷穩(wěn)定后，實測地表最大下沉值為187mm?！捕抽_灤各莊礦在公路、鐵路橋下放頂煤開采注漿減沉各莊礦利用廢棄粉煤灰作為充填材料，對橋下采后產(chǎn)生的冒落帶、裂隙帶、離層帶和沖積層及時進(jìn)展注漿充填，最大程度地減少地表沉降幅度，其中鐵路橋下開采煤厚達(dá)6.5米，地表最大下沉僅0.135米，到達(dá)了國領(lǐng)先水平，有效地保護(hù)了橋梁，創(chuàng)造了比擬好的經(jīng)濟(jì)與社會效益?！踩车V業(yè)崖頭煤礦采動覆巖離層注漿減沉崖頭煤礦設(shè)計能力30萬t/a，儲量2160萬t，礦區(qū)圍公路總里程7.5km，占壓煤量約500萬t。預(yù)計成效：注漿充填后，地面下沉量缺乏200mm，新增經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值200億元〔實際效果正在考察〕。〔四〕礦務(wù)局注漿工程應(yīng)用實例礦務(wù)局在企業(yè)部16個工作面成功應(yīng)用注漿減沉技術(shù)，到達(dá)“三下一上〞平安回采效果，地面建筑不搬遷目標(biāo)。工作面回采后破壞圍在=1\*ROMANI級圍，沉降值在200mm以，并實現(xiàn)淮礦集團(tuán)大樓在采空區(qū)地基加固成功建立，樓層高度達(dá)30層?，F(xiàn)注漿技術(shù)可實現(xiàn)隨采隨注減沉、采后注漿充填減沉和采后注漿加固。礦務(wù)局歷年注漿工程如表1〔具體沉降效果正在考察〕。序號工程名稱施工時間注漿鉆孔總數(shù)類別1店104采區(qū)注漿2009年8月5日~2012年8月6日6減沉2店103采區(qū)注漿2010年1月30日~2012年3月18日5減沉3店1018工作面注漿2012年6月20日~2013年11月25日4減沉4店766工作面注漿2012年4月1日~2013年5月13日2減沉5店768工作面注漿2014年1月1日~至今3減沉6海孜1022工作面注漿2009年10月18日~2011年8月24日6減沉7海孜1031工作面注漿2010年1月22日~2010年11月3日4減沉8海孜1033工作面注漿2010年12月20日~2011年12月31日2減沉9海孜1026工作面注漿2013年9月26日~至今6減沉10祁南366工作面注漿2012年3月22日~2013年1月28日6減沉11莊Ⅲ644工作面注漿2013年4月2日~