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煤矿开采覆岩离层注浆减沉技术 2014年12月6日 目 录 一、技术背景 1 二、覆岩离层注浆减沉关键理论 1 （一）采空区上方离层形成与发展过程研究 1 （二）注浆压力控制 2 （三）浆液在离层空间内的流动形态 3 三、覆岩离层注浆减沉关键技术与设备 5 （一）工作面减沉注浆技术 5 （二）注浆系统及设备 5 （三）注浆施工 6 四、上覆岩离层注浆减沉实例 7 （一）开滦唐山煤矿在回采工作面利用粉煤灰覆岩注浆减沉 7 （二）开滦范各庄矿在公路、铁路桥下放顶煤开采注浆减沉 7 （三）山东阳光矿业有限公司崖头煤矿采动覆岩离层注浆减沉 7 （四）淮北矿务局注浆工程应用实例 7 五、附件 8 附件1：利用粉煤灰覆岩注浆减沉 8 附件2：唐山矿覆岩注浆减沉的工程实践 8 附件3：崖头煤矿采动覆岩离层注浆减沉技术 8 附件4：桥下放顶煤开采减沉注浆技术 8 煤矿开采覆岩离层注浆减沉技术 一、技术背景 地下采矿形成地下空洞并逐步发展至地表，致使地面塌陷，形成地表塌陷，可造成环境破坏、农田绝产、道路交通受阻、地面建筑设施损坏，甚至危及人身安全。在地下采矿的同时如果采取适当措施，及时充填采空区可减少或避免这种危害的影响，例如目前经常采用的水砂充填法、干式充填法和胶结充填法等等。覆岩离层注浆充填则是一种正在研究和有待于进一步完善的技术手段。该项技术的核心是在采空区上方地表适当位置打钻，通过钻孔高压将电厂粉煤灰与水按照一定的比例（粉煤灰浓度30-70%）配成浆液注入到导水裂隙带以上的弯沉带地层中，达到控制与减缓地表沉降的目的。在实施该项技术中，掌握覆岩破坏及离层的形成位置、发展规律、注浆时机、压力控制和浆液在离层空间的流动形式是技术的关键。 二、覆岩离层注浆减沉关键理论 （一）采空区上方离层形成与发展过程研究 实施覆岩离层注浆充填方法，必须有效控制注浆层位、注浆时机和注浆压力，这些因素与采空区上方离层形成与发展过程密切相关。用相似材料模拟实验方法，对长壁式采煤全部垮落法管理顶板采动过程中覆岩塌陷与沉降规律进行模拟，实验结果表明，在工作面推进过程中，随着采空区面积的不断扩大， 煤层上方的岩层按着一定的垮落步距顺序垮落。根据覆岩破坏形式，一般将破坏区划分为三带，即冒落带、断裂带和弯曲带。在离层注浆工程中，为防止浆液溃入井下，注浆层位应选择在导水裂隙带以上的弯曲沉降带内。采动过程中覆岩的沉降、变形与断裂过程如图1，图中hi为离层带的位置；Hm为冒落带高度；Hd为断裂带高度；Hz为整体弯沉带；hb为保护层厚度；W（x）为地表下沉曲线。 图1 覆岩破坏与离层发展示意图 由图1覆岩沉降与离层发展过程可以看出，随着采场范围的扩大，离层带逐渐向上发展，如果在设计位置实施注浆，及时充填离层空间，可阻止其沉降和离层进一步向上发展，达到减缓上覆岩层及地表沉降，减少和消除其危害的目的。离层空间内的边界条件较为复杂，浆液的流动与注浆压力、离层空间的几何尺寸、位置、岩层的渗透性能有直接关系。离层空间内任意点的沉降量可用连续函数来描述，设其沉量为W（x，y），则 ， 式中，m为开采矿层厚度；q为下沉系数；a为煤层倾角。各参数由实测资料用综合分析方法求得。 （二）注浆压力控制 在采动过程中，及时高压充填已形成的离层空间对减缓和阻止沉降和离层向上发展至关重要，关系到整个注浆减沉工程的成败。在开采超前影响线到达离层带位置前，应实施高达10Mpa以上压力注浆使其在预定位置及早形成离层。在形成离层前泵压相对较高，在高压力作用下，于岩层内部可形成劈裂水楔，促使离层在设计位置及早地形成并保证不至于过早地闭合。一旦形成离层空间，泵压将急剧下降，此时应提高浆液浓度，加大注浆量并持续注入，以保证及时地充填离层空间。 （三）浆液在离层空间内的流动形态 由于离层空间形成的大小、时间、位置、围岩的渗流流量、地下采矿工作面的推进速度、停止位置等因素与注浆能力及流量有直接关系，可将注浆液体在离层空间内的流动分为以下三种形式 1.以钻孔为中心的径向流动。离层带内充填介质首先在以钻孔为中心的一定半径内沉积，钻孔至周围，流速由大到小分布，如图2。 图2 以钻孔为中心的径向流动与沉淀 随着开采范围的增大，在一定的时间段内离层空间达到最大值，如果注浆量达不到设计要求，泵压可能接近零，甚至降为负压而产生虹吸现象，此时应加大注浆量和注浆浓度，以提高注浆效果。 2.以明渠“挟质”形式流动。由相似材料模拟实验可知，在离层空间足够大的情况下(离层空间未充满浆液)，充填浆液在离层空间内将以非恒定明渠流的方式从注浆孔位置开始向远处流动，水流挟带粉煤灰并将其输送到离层空 间的边缘，如图3。 图3 离层空间内未充满浆液时的流动状态 此时，根据临界流速的大