田瑞云

（山西省晋神能源有限公司，山西 忻州 036500）

新义矿业面临的建（构） 筑物压煤问题十分严峻，矿井一水平上山地表存在多个村庄，通过无人机航测和实地调查等手段，共统计村庄9 个、居民2 093 户；另外一水平下山部分也有零星村庄分布，居民约160 户；一水平村庄合计2 253 户，压煤合计约2 245 万t。一水平西翼大巷下山部分310 国道改线压煤2 496 万t。该问题已成为制约矿井发展的关键因素。为确保正常生产布置和采掘接替，实现矿井中长期可持续发展，自2019 年开始研究覆岩离层注浆充填减沉开采技术，受其适用条件限制，在孤岛煤柱工作面复杂地质条件下实施该技术较为困难。基于此，在孤岛工作面回采时如何保证相邻两侧采空区上覆岩层稳定性成为能否实施覆岩离层注浆充填减沉的关键。

1 概 况

新义矿业12030 工作面位于西翼12 采区，北部为新义矿业井田边界保护煤柱，南部为西翼回风大巷保护煤柱；12030 工作面为孤岛工作面，西部为12040 工作面采空区（该工作面于2014 年6 月回采结束），东部为12020 工作面采空区（该工作面于2015 年12 月回采结束）。12030 工作面倾向长为810.0～870.3 m（停采线起），走向长158 m，回采面积132 959.1 m2，预计可采储量140 万t。根据前期开采方案，该工作面作为孤岛煤柱被保留，随着西翼12 采区工作面的回采，若继续沿用前期开采方案，矿井严重脱节，面临无煤可采的局面。在此背景下，提出孤岛工作面复杂地质条件下覆岩离层可注性评价方法，通过对该方法的研究，确定孤岛工作面相邻采空区围岩的稳定性，为孤岛工作面实施覆岩离层注浆充填减沉开采提供技术保障。

2 覆岩离层注浆充填减沉开采技术原理及覆岩离层发育特征

根据覆岩破坏形式，一般将破坏区划分为三带，即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，在弯曲下沉带内部软硬岩层之间、上位岩层抗弯刚度大于下位岩层位置，常常会出现离层。

通过地面钻孔对采动覆岩离层区进行高压注浆充填，离层区内因注浆充填产生的液压作用，向上托举离层的上部岩层，向下进一步压弯下部岩层、压实冒落带，使其在工作面中部形成一定宽度的压实支撑区，形成“离层区充填体（压实区） +关键层”的承载体，达到控制与减缓地表沉降目的[1-4]。

根据覆岩离层注浆充填减沉开采的技术原理，离层发育主要有以下特征：①存在具有一定承载结构的关键层，及存在岩层刚度互不相同的岩性组合，且刚度较大的岩层具有一定的承载能力；②随着采煤工作面的推进，离层随着工作面推进方向水平发育，水平连通性较好；③采空区离层随着注浆量的提升，在注浆压力的作用下会产生劈裂作用，高压注浆的劈裂作用在注浆压力的反映上主要表现为注浆压力呈“高—低—高”的循环变化趋势。

3 工程设计方案

12030 工作面为孤岛工作面，该工作面西侧为12 040～12 050 工作面采空区，东侧为12 010～12 020 工作面采空区，两侧采空区结构对称，为减少工程投入，节省时间，现对西12040～12050工作面采空区进行检验。在该区域施工2 个检查钻孔，钻孔位置见表1。

表1 检测孔位置Table 1 Position of detection hole

3.1 钻孔施工过程钻井液漏失情况分析

检注1 号孔施工。钻孔表土段采用φ325 mm钻头开孔，表土层42 m 跟管钻进，下φ273 mm×6 mm 表土护壁管，二开采用φ230 mm 冲击钻头钻进至200 m，后采用φ190 mm 钻头钻进至503 m，钻孔过程中孔内无水。采用下止浆塞的方式下φ139.7 mm×9.17 mm 套管380 m，固管后透孔。透孔时393.2 m 开始漏水，漏失量3 m3/h，至397.5 m 正常返水；434.7 m 全漏，漏失量大于12 m3/h。

检2 号孔施工。采用汽车钻水源钻进，一开采用φ216 mm 钻头开孔至200 m，下φ177.8 mm×8.05 mm 套管；二开采用φ152 mm 钻头开孔至382.2 m。在365.09 m 开始漏失，漏失量0.8 m3/h，至382.1 m 处全漏，提钻。下φ139.7 mm 套管380 m；三开118 钻头钻进，累计孔深413.92 m。在382.35 m 处，泥浆漏失量7 m3/h，在384.5 m 处，泥浆漏失量14 m3/h。往下清水钻进，384 ～388 m漏失量6 m3/h，388 ～413.92 m，漏失量8 m3/h。

3.2 钻孔电视成像

为准确掌握离层发育位置，对检注1 号孔进行孔内电视成像，通过电视测井录像观察得知水位为412.5 m，在395、389、384 ～385、380、378、375～376、369、359、348、341～342、328～329、325、321、296、262 m 处存在明显裂隙或破碎带，其中在359、365、384～385、378、375～376 m 处的地层水平裂隙发育比较明显。裂隙位置主要集中在孔深320 m 以下位置，显著裂隙主要集中在360～400 m，孔1 裂隙位置如图1 所示。

图1 12030 工作面检注1 孔钻孔电视成像结果Fig.1 TV imaging results of No.1 Borehole in No.12030 Face

3.3 电法测井

为准确掌握钻孔岩性，对检注1 号钻孔进行测井，通过对测井数据分析，在380 m 深度以下，存在砂岩、泥岩岩性组合，且砂岩厚度在9.1～25.6 m，平均厚度为15.8 m，具备产生离层的岩层组合特征。

3.4 注浆量与注浆压力

3.4.1 检1 号孔注浆

注浆实施初始阶段，随着粉煤灰浆液不断注入到裂隙或离层，孔口压力也在不断上升。将粉煤灰浆液浓度提高到40%时，孔口压力逐渐升高，达4 MPa 以上后，调整为1 台泵4 档压水，孔口压力一直维持在3.6 MPa。在透孔至460 m 左右，并试压水注浆，但可能由于可注空间较小，压力逐渐增大导致暂停注浆。

随后继续透孔至孔底503 m，2 台390 泵浓度30%～40%开始试注浆，孔口压力逐渐上升，最后维持在3 ～4 MPa 注浆。孔口压力低—高—低“M型”循环变化规律，说明通过高压注浆对岩层的劈裂贯通作用，浆液充实离层并使离层腔体不断扩大，下部岩层得到压实。

在随后检注1 孔注浆压力不断下降，暂停注浆。经过分析认为：检注1 号孔与检2 号孔之间距离为120 m 左右，检注1 号孔的注浆扩散半径覆盖到了这一地区，并且检注2 号孔孔内返粉煤灰浆液，说明检注1 号孔与检注2 号孔两钻孔串浆连通，同时检注1 号孔注浆压力下降与检注2 号孔压力等值。也侧面说明地层有水平裂隙发育，存在离层空间。孔口压力同样低—高—低“M型”循环变化规律，压力维持在3.6 ～4.5 MPa。注浆过程中，可保持相对较高压力（3 ～4 MPa） 进行注浆，压力控制到5 MPa 以下，注浆浓度45%～60%，通过高压注浆对岩层的劈裂贯通作用，增加可注空间。

检1 号孔注浆压力变化如图2 所示。

图2 检1 号孔注浆压力变化Fig.2 Variation of grouting pressureof No.1 Borehole

3.4.2 检2 号孔注浆

该孔开始采用2 台390 泵注浆，浓度30% ～40%，随着粉煤灰浆液不断注入，孔口压力上升。在注浆10 d 后孔口压力突然上升到8 MPa 以上，安全阀爆开，处理好后压水已压不动，暂停注浆。

后进行透孔，透孔完毕，采用3 台390 泵进行第二次注浆，孔口压力0.5 MPa。在孔内下φ73.02 mm×5.51 mm 注浆钻杆460 m，同样3 台390 泵4/4/4 档注浆，此时孔口压力变化范围在2.8 ～4.2 MPa。孔口力呈低—高—低“M型”循环变化规律，此时注浆效果较好，通过高压注浆不断破碎岩石，增加可注空间，浆液扩散范围变大，充实离层并使离层腔体不断扩大，进而压实下部岩层，提高其承载力。后采用2 台泵注浆，孔口压力3.8 ～4.5 MPa。

检2 号孔注浆压力变化如图3 所示。

图3 检2 号孔注浆压力变化Fig.3 Variation of grouting pressureof No.2 Borehole

4 地层可注性分析

4.1 地质开采条件

从地质开采条件分析，12030 工作面采深大（608 ～616 m）、基岩厚度大于工作面面宽（158 m），满足注浆充填的基本条件。进而对工作面施工的钻孔进行了关键层结构判别，得出二1 煤层上方有典型的关键层，主关键层为460 ～480 m，岩性为砂岩，充填层位上方的关键层得到有效支撑，这对于注浆充填而言是十分有利的。但与一般工作面不同，12030 工作面相邻的工作面均已回采，部分关键层出现了破坏，对于12030 工作面注浆充填控制而言，存在一定难度，应科学选择充填层位。

4.2 注浆量

此次注浆采用灌装粉煤灰，根据充填率30%预计试验段注灰量47 688 t，与实际注浆量产生偏差。前期注浆需要较高压力对岩层劈裂贯通，浆液扩散使离层空间不断扩大，从而压实下部岩层。但压力高之后不易控制，一旦注浆量过大容易堵孔，所以控制注浆压力直接影响到钻孔注浆量多少。

从检注1 孔和检注2 孔注浆量来看，试验区域地层有可注空间，可注性良好。其中检注1 孔，从5 月25 日开始试注浆，截至2022 年7 月25 日，累计注灰量3 961 t；检注2 孔从5 月28 日开始试注浆，截至2022 年7 月25 日，累计注灰量7 653 t，两钻孔累计总注灰量11 614 t。截至目前检注1孔和检注2 孔正常注浆，注灰量在180 ～300 t/d。

4.3 注浆过程压力变化

在弱透水性地层中，浆液在高压力作用下先后克服地层的切应力和抗拉强度，即当注浆压力超过劈裂压力时，岩层产生水力劈裂，在地层强度薄弱的平面上出现裂缝，地层吸浆量增加，浆液渗透范围变大。

检注1 孔和检注2 孔注浆压力呈低—高—低“M型”循环变化规律，说明通过高压注浆对岩层的劈裂贯通作用，浆液充实离层并使离层腔体不断扩大，下部岩层得到压实，离层可注性良好；并通过最终注浆量得以验证，检注1 号孔最终注浆量1.8 万余吨，检注2 号孔最终注浆量1.6 万余吨，均达到预期注浆效果。

5 注浆效果检验

在12040 工作面设计施工检注3 孔来检验水平裂隙及离层发育情况，最终检注3 号孔注浆量1.98万t，通过检注3 号孔注浆与检注1 孔和检注2 孔注浆形成注浆充填平面。后在检注1 号、2 号、3号注浆钻孔中央位置布置施工检查钻孔，检查钻孔无法大量注浆，且在钻探过程中取出粉煤灰充填物，说明在高压力注浆充填作用下，受前期采动影响形成的离层和冒落带已经被完全充填压实，形成沿已采工作面的条状支撑带，保证后期孤岛工作面回采时围岩的稳定性。

6 结 语

通过该工程验证采空区上覆岩层中，存在大量的离层空间，能够通过注浆充填的方法对采空区覆岩进行注浆加固，增强其稳定性，保证在孤岛工作面回采时两侧相邻采空区的围岩处于一种相对稳定的状态，为孤岛工作面实施覆岩离层注浆充填不迁村开采奠定基础。