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覆岩离层注浆技术在济宁矿区的应用

发布时间:2019-10-13 06:16:33 编辑:笔名

  覆岩离层注浆技术在济宁矿区的应用

  摘要 济宁矿区是一个新矿区,煤炭储量丰富,自然环境优美,如何进行地表沉陷治理是一个重要的课题。本文通过总结济宁二号煤矿采用覆岩离层注浆技术治理地表沉陷的经验,证实了在济宁矿区使用覆岩离层注浆技术是可行的,并探索了离层发育规律,为下一步的注浆奠定了基础。关键词 地表 沉陷 覆岩离层注浆

  1 引 言  中国山东济宁(东部)矿区是一个平原矿区,面积560km2,地面除村庄、河流、湖泊、公路、高压线外均为农田。济宁二号煤矿是这个矿区首先开发建设的一对矿井,于1997年投产。为了保护农田、高压线路和矿区的生态环境,采用了覆岩离层注浆技术治理地表沉陷,取得了较好的效果。2 地质采矿条件2.1 地质条件  济宁二号煤矿位于济宁(东部)煤田中部,煤系地层为华北型石炭二迭系含煤构造,奥陶系灰岩为煤系底盘,地层自下而上依次为:奥陶系、石炭系、二迭系、侏罗系、第四系。第四系冲击层厚149.40~246.34m,平均187.42m,主要由粘土、砂质粘土、粘土质砂及砂砾层组成。侏罗系最大残厚467.20m,平均244.53m,自下而上分为四段:第一段厚59~200.50m,主要由砖红色泥质细至中粒砂岩组成,胶结较疏松,底部常发育一薄层砾岩,成份以石英岩为主,石灰岩次之,与下伏地层呈不整和接触;第二与第三段由暗紫、紫红色及棕色中细砂岩组成,质较坚硬,二段底部含有砂岩及砾岩层;第四段为灰色中细粒砂岩,致密坚硬。第三段与第四段之间普遍侵入一层厚层状岩浆岩,最大厚度152.60m,岩性主要为橄榄辉长岩,角闪辉长岩及辉石正长斑岩,致密坚硬,其底界下距3上煤层一般大于300m。二迭系残留三组:上石盒子组、下石盒子组和山西组。上石盒子组平均厚116.5m,由铝质泥岩、粉砂岩和灰绿色砂岩组成;下石盒子组平均厚56m,由灰绿色砂岩、粉砂岩、铝质泥岩组成;山西组厚73~118.1m,平均95m,主要由浅灰色砂岩、粉砂岩、泥岩及煤组成;含煤4层,是本井田主要含煤地层。石炭系上统太原组平均厚170.92m,由深灰色粉砂岩、泥岩、灰色砂岩及煤组成,含煤23层,是本区重要含煤组:中统本溪组厚60.30m,不含可采煤层。  矿井主要可采煤层为3上、3下,3上煤层厚0~6m,平均2.1m,埋深大于500m。3下煤层厚0~17.96m,平均4.68m,是首采区的主采煤层,埋深520~735m,煤层倾角一般0~15,煤层底板为泥岩和粉砂岩,煤层顶板主要为细至中粗粒砂岩。2.2 开采方法  矿井首采区设计四个采区,一、四采区煤层厚1.6~5.5m,采用长壁式综采一次采全高采煤法,用全部陷落法管理顶板;二、三采区煤层厚1.11~9.17m,大部分区域煤厚大于4m,采用长壁式综采放顶煤开采方法。工作面设计宽130~210m,长620~2000m,开采顺序采用跳采留孤岛法,两相邻工作面间采用沿空送巷,不留煤柱。3 注浆系统布置  四采区开采3下煤层,厚0~5.7m,平均3.88m,煤层倾角3~15,平均8,采区地面高程+34.83~+35.65m,3下煤层底板高程-490~-640m,煤层埋深525~675m。采区设计7个工作面,16个注浆井,布置一个注浆站。注浆站占地1300m2,位于采区中央,站内布置主厂房一座和一个容量400m3的储灰场。主厂房内安装两台DSB300型高压泥浆泵,布置一个容量20m3的搅拌池和一个容量40m3的储灰池。灰场内运灰采用刮板机和小皮带。  首先注浆的4302工作面位于采区中部,宽180m,长800m,煤层埋深576~644m,平均600m,上覆岩层第四系平均厚184m,侏罗系厚210m,3下煤层上覆二迭系厚206m,设计两个注浆孔,1#孔距切眼236m,孔深415m,2#孔距1#孔333m,孔深437m,注浆层位均为侏罗系底界。钻孔结构:钻孔施工直径Φ175mm,下入Φ127mm护壁管,中间下直径Φ73mm的注浆管。注浆站与注浆孔之间采用直径Φ73mm的管路连接。  注浆材料为电厂的粉煤灰。4 注浆施工  4302工作面于1997年3月份开始回采,注浆系统于9月上旬安装完毕,9月中、下旬进行了注水实验,10月份开始注浆。注浆时工作面已推进310m,超过1#注浆孔位置74m。注浆方法是将粉煤灰用刮板机和小皮带运至搅拌池加水搅拌后,用高压泥浆泵通过管路、注浆孔注入离层带。当注浆压力大于5MPa时注水,促使离层发育;压力小于5MPa时注比重为1.1~1.2的粉煤灰浆。粉煤灰浆的浓度要随着压力的变化及时调整,压力大于3MPa时应注比重小于1.15的稀粉煤灰浆,压力小于3MPa时应注比重要大于1.15的浓粉煤灰浆。注浆用的粉煤灰要认真选择,要求直径小于1mm,不能有杂质。1998年5月5日工作面推进611m时,1#孔在注浆6个月后暂停注浆,改用2#孔注浆。  1998年3月中旬2#孔开始进行注水试验,压力为5MPa,4月下旬压力降为0。自5月5日开始注浆,此时工作面已推过2#孔42m。随着工作面的回来注浆工作一直顺利进行,工作面于8月15日停采,回采长度797.85m,9月19日停止注浆,2#孔注浆时间4个月,共注灰11701m3,注浆33841m3。  自9月19日起,改注1#孔,1#孔压力为2.7MPa,至1999年4月一直连续注浆,压力为3.7MPa,期间注浆7个月。1#孔总注浆为13个月时间,注灰37965m3,注浆121911m3。整个工作面共注浆19个月,注灰49666m3,注浆155752m3。  为了监测注浆效果,工作面在回采过程中,对地表下沉也同时进行了观测。1997年4月工作面在推进100m后开始下沉,至1999年1月在工作面停采5个月后下沉稳定,最大下沉560m。工作面若不采取注浆措施,预计最大下沉1233m,实际减沉673mm,减沉率为54.6%。5 离层与注浆压力的关系  1#注浆孔距切眼236m,1997年9月开始注水时工作面已推进257m,此时注水压力为0,说明离层已经完全形成。根据压力推算,1#孔离层形成的时间应在8月份,工作面推进200m左右的位置。9~11月份3个月压力一直是0,是离层形成最大空间的时间,工作面已推进400m。从12月份开始,注浆压力开始逐渐回升,而且初始一个月回升速度最快,由0MPa回升至2.2MPa,平均每天回升0.07MPa,此后压力一直比较稳定,但总体上仍缓慢上升,至1998年底,工作面停采4个月时,压力仅为3MPa。1999年后压力都大于3MPa,至1999年4月压力达3.7MPa。  工作面位置与注浆压力关系见下图。

  2#注浆孔从1998年3月中旬压力为5MPa,开始产生离层,此时工作面距注浆孔63m。4月下旬压力降为0,平均每天衰减0.13MPa,是离层发育最快的一个月。注浆压力从4MPa降为0.13MPa。5~8月份4个月时间压力为0,离层发育到最大。  离层的形成是一个动态过程,一般要经历产生、发展、稳定、闭合四个阶段,离层形成的标志是注浆压力大小的变化,离层开始产生时压力大,完全形成后压力减为0。经过一段短暂的稳定后,压力又开始回升,直到离层闭合。2#孔离层产生时压力为5MPa,经过一个月的时间,工作面推进长度50m后,压力减为0,离层完全形成。1#孔离层完全形成是在工作面推进200m位置,两孔的离层稳定时间都在3~4个月,工作面推进长度200m左右。1#孔在一个月时间内压力上升2.2MPa,离层开始闭合,此时工作面推进长度30m。但至工作面停采时压力一直小于3MPa,停采后6个月压力为3.7MPa,说明离层一直没有闭合,因此单一工作面开采时,覆岩离层是一直存在的。  离层发育规律与工作面几何尺寸、工作面推进速度、采出煤层厚度、采深以及覆岩地层结构等因素有关,但在工作面圈出和注浆系统施工完成后,工作面的宽度、煤层采出厚度、采深、覆岩地层结构等参数已确定,只有工作面的推进位置是一个变量,因此在注浆过程中,工作面的推进位置(即推进速度)是一个关键因素。工作面在推至注浆孔位置后200m范围内,离层发育达到最大,是注浆的最佳阶段。注浆孔位置后600m范围内,注浆压力小于3MPa,都是注浆的有利时期。为了取得注浆的最佳效果, 在注浆的最佳阶段,要加大注浆量,同时工作面的推进速度要适当放慢,延长离层的稳定时间,增大注浆的总量。6 结 论  a 在济宁矿区的地质采矿条件下,采用覆岩离层注浆技术进行地表沉陷治理是可行的,能够取得较好的效果。  b 单一工作面开采时,覆岩离层是一直存在着的。  c 离层的发育是一个动态过程,工作面推过注浆孔200m范围,是离层发育到最大的稳定阶段,在这一阶段内,要放慢工作面的推进速度,并加大注浆量,才能取得较好的注浆效果。

  作者简介:张东俭,男,43岁,高级工程师,现任兖矿集团公司济宁二号煤矿副矿长兼总工程师,主持科研项目多项,发表科技论文近10篇

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