康永明

(内蒙古北联电能源开发有限责任公司 高头窑煤矿， 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

随着我国煤炭资源开发战略西移和绿色开采的现实要求，煤炭开采进入新的发展阶段，西部地区大规模高强度开采产生的煤矸石综合利用引发广泛关注[1]，煤矸石地表堆积处理占用大量土地，且污染严重；
用于发电、铺路、生产建材、化工原料、农业产品等也存在二次污染或处理量小等问题[2]. 近年来，我国环保政策要求逐渐趋严，部分矿区开始探索充填采煤技术并取得了一定成效[3-5]. 离层注浆技术是指在掌握采空区上覆岩层离层发育基础上，在地面制备粉煤灰浆液，通过地面钻孔将浆液填充离层区抑制岩层沉降，达到保护地表设施的目的。该技术可布置在常规工作面中，不影响原有生产工艺,操作简单、充填成本低。

某矿井位于内蒙古鄂尔多斯，年设计产量千万吨，年产矸石约300万t，由于外排场地容量有限及环保政策紧缩严重制约正常生产，在充分调研国内外煤矸石利用现状和充填开采技术基础上，提出了采用煤矸石覆岩离层注浆充填技术。

1.1 技术原理

煤矸石覆岩离层注浆是部分充填采煤技术的一种，见图1. 其原理是在地面制浆站将煤矸石、粉煤灰和水混合形成均匀浆体，利用工作面后方区域非充分采动形成的离层区域，通过地面钻孔在采动覆岩离层区高压注入煤矸石浆液充填，注浆区域包括横向离层区域和竖向破断区域，形成一定范围的充填压实区维护关键层稳定，限制覆岩下沉，达到处理矸石和控制地表沉陷的双重目的。

图1 覆岩离层注浆技术图

1.2 技术关键

为防止离层区域内浆液材料流失进入工作面造成井下排水量增加，浆液注射范围需控制在断裂带上方、弯曲下沉带下部某层位，以及确定合理的注浆材料和注浆参数。注浆材料在保证料浆流动性能条件下，应尽可能增加矸石含量；
注浆参数包括关键层和注浆层的层位确定、注浆时机、注浆压力等。

1) 关键层层位。采用现场实测、理论计算相结合的方式确定关键层的层位。根据现场钻孔地质资料、声波测井、井下钻孔电视等手段确定关键层岩性、厚度、埋深等参数，并结合固支梁假设计算关键层破断距。

结合矿区BK105 钻孔柱状图，采用关键层判别方法，判别得到关键层层位，见表1.

表1 关键层位置信息表

2) 注浆充填层位。目前该矿12上煤埋深在350～430 m，煤层平均厚度5 m，为了确定注浆充填层位，根据煤炭科学技术研究院编制的《神东矿区“三带”发育规律研究报告》，3.5～6 m煤层裂隙带高度计算公式为：

(1)

其中，m为累计采厚，m，取143.87.

根据式(1)计算出煤层裂隙带高度取96.9 m，通过工作面煤层钻孔所获取的岩层信息，采用关键层判别方法预测裂隙带范围内的关键层组数，留设5倍采高的安全距离，初步确定主注浆层位为231 m关键层下离层，二次补偿注浆层位为 211 m关键层下离层。

3) 注浆充填时机。离层注浆时机需要根据覆岩离层区发育规律及目标关键层的稳定控制要求进行选择，即在满足目标关键层不发生破断情况下，达到最高的注浆充填量。初次充填时机为目标关键层下方离层时开始注浆，即注浆孔位于工作面超前支承压力峰值区域时实施注浆，工作面开采前提前打好注浆孔，在孔中注入高压水，当钻孔中水体漏失量突然增大时，进行初次注浆，注浆孔位置计算公式：

(2)

经计算,上煤三盘区工作面支承压力峰值位置位于工作面煤壁前方14.2 m.

4) 注浆充填压力。钻孔注浆压力应不小于充填层位以上岩层自然地压，保证离层区域稳定性并促进离层区发育。在实际施工过程中，通过调节充填钻孔上口注浆压力来控制注浆区稳定性，考虑到钻孔高度差，孔口注浆压力计算如式(3)；
注浆泵压力需考虑料浆在管道输送过程中的沿程和局部阻力损失，注浆泵压力计算见式(4):

P孔=H(γ-γ1)

(3)

P泵=P孔+hf

(4)

经计算，注浆泵压力为5.5 MPa，注浆孔压力为2.5 MPa，沿程损失为3 MPa.

5) 注浆钻孔布置。注浆钻孔位置及数目与浆体扩散半径、工作面尺寸等因素相关，为了实现较好的充填效果，应综合考虑施工成本、技术难度。沿走向布置在工作面中部，每组可布置多个钻孔，保证对关键层下最大离层处进行及时充填，钻孔深度需要打到离层发育的关键层下。沿走向相邻两钻孔间距应不大于浆液扩散半径的2倍：

W≤2KjRK

(5)

带入计算结果，并结合以往工程经验和实际效益，选取注浆孔间距200 m.

2.1 注浆材料配比试验

合理的浆液配比是保证煤矸石注浆效果的前提。为研究料浆浓度、煤矸石和粉煤灰比例对注浆材料流动和泌水性能的影响，设置不同水灰比、矸石粉煤灰比进行充填材料配比试验。矸石来自于该矿排矸场；
粉煤灰来自矿区附近电厂，灰黑色，为低钙粉煤灰；
所用水为矿井废水。采用筛分法和激光粒度分析法对试验所用煤矸石及粉煤灰粒径分布进行测试，见图2，经过破碎后最大粒径不超过10 mm，其中0～5 mm占68%，5～8 mm占27%，8～10 mm占5%，级配良好；
粉煤灰粒径分布为1～100 μm，最大粒径不超过100 μm.

图2 矸石及粉煤灰粒径分布图

试验前准备过程包括配料、称重、搅拌等步骤，料浆搅拌均匀后，采用坍落度筒和泌水率筒测试料浆坍落度和泌水率，试验分为2组，其中第一组固定矸石∶粉煤灰=6∶1，改变料浆浓度，分别为40%、44%、48%、52%、56%、60%、64%；
第二组固定料浆浓度为55%，改变矸石∶粉煤灰比例，分别为 6∶1、5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶0，试验结果见图3.

图3a)为不同质量浓度条件下注浆材料的坍落度和泌水率。可以看出在不同质量浓度下，注浆材料的坍落度不低于250 mm，各配比下料浆的流动性能良好，随着注浆材料的浓度逐渐增加，坍落度不断减小，当料浆浓度从40%增加至60%时，料浆坍落度从275 mm降低至254 mm，注浆材料浓度增加降低了料浆的和易性。因此在注浆过程中需控制料浆的浓度，保证料浆的流动性防止堵管。随着浓度增加，料浆的泌水率不断减小，当料浆浓度从40%增加60%时，料浆泌水率从33%降低至19%，说明料浆浓度越高，固水性能越好。图3b)为质量浓度为 50%时，不同矸石与粉煤灰质量比下注浆材料的坍落度和泌水率。可以看出随着矸石与粉煤灰比率逐渐增加，注浆材料的坍落度增加、泌水率减小，粉煤灰中的细颗粒含量减小，在料浆中起到润滑作用。

图3 注浆材料坍落度及泌水率图

2.2 覆岩离层注浆充填系统

煤矸石覆岩离层注浆充填系统主要分为制浆系统、输浆系统及注浆系统3大部分。地面制浆系统的工艺流程包括运输、破碎、磨细、搅拌、注浆、充填等，矸石经过破碎后最大粒径不超过10 mm；
制浆系统将破碎后的矸石、粉煤灰、水经过分级搅拌后，混合成均匀料浆通过管道输送。根据该矿实际情况，该系统年矸石输送量200万t，浆液浓度60%；
共设置两个输浆孔，孔内径为273 mm，输送主泵型号SGMB350-10.0，管道输送最大压力8 MPa，地面钻孔孔口余压1 MPa.

3.1 工程应用情况

首注工作面选择12上301工作面，该工作面长300 m，采高5 m，工作面年推进长度2 650 m，12上煤埋深为350～430 m，确定主注浆层位为231 m，二次补偿注浆层位为211 m；
注浆孔孔口压力2.5 MPa，注浆泵压力5.5 MPa. 注浆充填区域钻孔沿工作面走向布置，钻孔布置于工作面中部，每组2个钻孔，孔间距40 m，沿走向钻孔间距200 m，整个工作面共布置4组8个钻孔。制浆站地点设立于工业广场选煤厂附近绿地，减小矸石运输成本，制浆站矸石处理能力为333 t/h，制浆能力640 m3/h，浆体密度为1.5 g/cm3，注浆站选定明安目独风井广场，布置一套200万t/年注浆系统，整个离层注浆系统实行计算机全自动化控制，配料、制浆、搅拌及运输过程均由计算机完成，大幅提高工程效率和质量。

3.2 效果评价

1) 充填效果分析。为了评价充填开采效果，在工作面对应地表设置剖面线普通地表移动观测站，走向观测线和倾向观测线相互垂直，走向观测线长度450 m，观测点16个，点间距30 m；
倾向监测线长度240 m，观测点9个，点间距30 m. 监测结果见图4. 注浆充填后，走向线实测最大沉降值在第16个测点，最大下沉量为231 mm，倾向线实测最大值在第9个测点，最大下沉量为214 mm，减沉率为67%.

图4 工作面地表沉降监测示意图

2) 经济效益分析。301工作面覆岩离层注浆技术正式运行实施3个月，制浆站日平均处理矸石量约6 500 t，粉煤灰1 300 t，矿井水6 200 t，注浆量约14 000 t；
工作面推进660 m，平均每年节约矸石处置费用1 000万，资源税由9%减免至4.5%，促进企业向绿色开采转型，经济效益显著。

1) 理论分析和现场测试表明，某矿12上煤主关键层距煤层228 m，主注浆层位为231 m关键层下离层，注浆钻孔超前工作面14.2 m，注浆泵压力为5.5 MPa，钻孔间距为200 m.

2) 注浆材料配比试验结果显示，料浆浓度增加后坍落度和泌水率均减小，流动性减弱，各组配比下料浆坍落度均大于250 mm；
随着矸石与粉煤灰比例的不断增加，料浆坍落度逐渐渐加，泌水率减小，粉煤灰颗粒能够起到润滑作用，增强料浆流动和固水性能。

3) 工程应用表明，该技术应用效果良好，工作面对应地表实测最大下沉量仅为231 mm，平均每日处理矸石6 500 t，每年节约矸石处置费用约1 000万，经济效益显著。

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