CN103216236B - 一种采场覆岩离层的注浆减沉方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采场覆岩离层的注浆减沉方法，包括：确定采场上方全部关键层层位；向目标关键层下方的离层内注浆；随着接续工作面的开采，所述离层延伸至新的采空区上方，通过注浆孔持续向离层内注浆。本发明在工作面之间不留设煤柱，提高了采区的回采率，并且形成连续的离层，注浆工作始终在离层下方岩层采动程度更充分后进行，提高了注浆充填减沉效果；另外，无需为每一个工作面上方的离层沿倾向布置一套注浆系统，节省设备与工程投资。

Description

一种采场覆岩离层的注浆减沉方法

技术领域

本发明涉及煤炭开采领域，尤其涉及在地表破坏严重或者需要控制地表下沉的矿井中，应用覆岩离层注浆减沉的方法。

背景技术

覆岩注浆减沉技术应用的前提是煤层开采后在采空区上方的覆岩内部能形成离层，其原理是通过地面钻孔向由于覆岩向下移动内形成的离层内充填材料以支撑覆岩，从而减缓覆岩移动向地表的传播。

采动覆岩中的关键层有如下特征：几何特征，相对于覆岩中其它相同岩层而言厚度较大；岩性特征，相对于其它岩层而言较为坚硬，即弹性模量较大、强度较高；变形特征，在关键层下沉变形时，其上部全部或局部岩层的下沉量是同步协调的，这些同步协调下沉变形的岩层也称为该关键层的随动层；破断特征，关键层的破断将导致全部或局部上部岩层的破断，从而引起较大范围岩层移动；支承特征，关键层破坏前以“板”或“梁”结构的形式作为全部岩层或局部岩层的承载主体，断裂后则成为砌体梁结构，继续成为承载主体。其中，将对直至地表的全部岩层起控制作用的岩层称为主关键层，也即最上层关键层。根据岩层移动的关键层理论，覆岩内的离层主要出现在各关键层下，覆岩内离层最大发育高度止于覆岩主关键层。关键层初次破断后的离层长度和最大离层量仅为关键层初次破断前的25%-33%。因此，离层充填应在关键层初次破断前进行，并保持关键层不破断，在此基础上，“覆岩离层分区隔离充填减沉法”被提出并得到广泛应用。

图1为覆岩离层分区隔离充填减沉法示意图，在开采煤层1中，工作面2和工作面3之间留设护巷煤柱4，在主关键层5的下方形成了离层61和离层62，通过注浆钻孔71和钻孔72分别向离层61和离层62内注浆充填，以避免或减缓主关键层5以及直至地表的随动层8下沉。

研究表明，在相同地质采矿条件下，离层高度随采空区尺寸变化而变化，当采空区尺寸达到充分采动尺寸后，离层高度达到该条件下的最大值。在煤层开采过程中，倾斜方向工作面的长度（即与工作面走向相对的工作面倾向长度）多介于100-200m之间，并且由于开采深度多超过400m，特别是我国煤矿开采正面临深部开采的现状，所以在工作面倾向上一般都达不到充分采动，甚至是极不充分采动。在这种情况下，覆岩内部破坏达不到充分采动情况下的最大破坏高度，离层得不到充分发展，不能形成最大的离层空间，地表下沉达不到最大值。此时，可注浆离层的空间体积总量很小，即使注入充填物，最大限度地保持其离层状态，减沉效果也有限。随着留设的煤柱最终破坏并垮落在采空区，使关键层的悬露步距加大，当悬露步距大于关键层的断裂步距时，会造成关键层断裂，覆岩下移，使得地表下沉难以控制。

综上，现有的覆岩离层分区隔离充填减沉法存在以下问题：（1）由于留设煤柱，使得采区回采率低；（2）注浆充填减沉效果低，工作面倾向长度较短与留设煤柱破坏、垮落造成的采空区覆岩“活化”造成先期进行的注浆充填减沉效果低，国内外研究证实，注浆充填减沉效率仅在15%-20%之间；（3）覆岩离层分区隔离充填时，需要为每一个工作面上方的离层沿工作面倾向布置一套注浆系统，造成设备与工程的投资大，系统复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于，提出了一种采场覆岩倾向离层连续一体化注浆充填减沉的方法，以解决现有技术存在的离层注浆减沉效率低的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种覆岩离层的注浆减沉方法，包括：

a、确定采场上方全部关键层；

b、除去全部关键层中距离采场最近的关键层，选取其它关键层中的一个作为目标关键层，使得在首采工作面或其接续工作面开采时，离层能够出现在所述目标关键层之下，当所述离层出现在所述目标关键层之下时，即所述目标关键层与其下方的离层之间不存在其他关键层，通过注浆孔向离层内注浆，其中所述首采工作面的倾向长度不会破坏所述目标关键层，即不会使目标关键层的悬露步距超过其断裂步距，工作面之间采用无煤柱布置方式；

或者在首采工作面或其接续工作面开采时，当采空区上方出现离层，即选取位于该离层之上且与该离层紧邻的关键层作为目标关键层，通过注浆孔向离层内注浆，其中所述首采工作面的倾向长度不会破坏主关键层，工作面之间采用无煤柱布置方式；

c、随着接续工作面的开采，所述离层延伸至所述接续工作面的采空区上方，形成延伸后的连续离层，通过注浆孔持续向延伸后的连续离层内注浆。

根据本发明所述的方法，优选地，在步骤c中，当时，不再采用无煤柱布置方式开采接续工作面；

式中，为z个工作面倾向长度总和；L_i为第i个工作面的倾向长度，m；H₀为工作面与离层之间的距离，m。

根据本发明所述的方法，优选地，工作面之间采用的无煤柱布置方式包括错层位巷道布置、沿空留巷或沿空掘巷。

根据本发明所述的方法，优选地，在步骤b中，除去全部关键层中距离采场最近的关键层，选取其它关键层中的一个作为目标关键层，使得在首采工作面或其接续工作面开采时，离层能够出现在所述目标关键层之下，当所述离层出现在所述目标关键层之下时，通过注浆孔向离层内注浆，其中所述首采工作面的倾向长度不会破坏所述目标关键层，工作面之间采用无煤柱布置方式

根据本发明所述的方法，优选地，在步骤b中，在首采工作面或其接续工作面开采时，当采空区上方出现离层，即选取位于该离层之上且与该离层紧邻的关键层作为目标关键层，通过注浆孔向离层内注浆，其中所述首采工作面的倾向长度不会破坏主关键层，工作面之间采用无煤柱布置方式。

根据本发明所述的方法，优选地，在选取所述目标关键层时，选取符合条件的关键层中最上的一个作为目标关键层。。

根据本发明所述的方法，优选地，当工作面所在的采区煤层倾斜时，所述接续工作面布置在上一工作面倾斜向下的一侧。

根据本发明所述的方法，优选地，所述注浆孔位于所述离层的倾斜向上的一侧。

根据本发明所述的方法，优选地，所述离层的边界满足d＝H₀ctgβ；

其中，d为离层的边界与采空区的开采边界之间的距离，m;H₀为工作面与离层之间的距离，m;β为覆岩下山方向的移动角。

与现有技术相比，本发明提供的一种采场覆岩倾向离层连续一体化注浆充填减沉的方法，具有以下优点：

（1）本发明在工作面之间不留设煤柱，因此，接续工作面回采时上覆岩层的运动形成一个整体，并且形成的覆岩离层连续。通过地面向离层布置的注浆钻孔，向沿倾向不断延伸的离层进行连续化注浆，注浆工作始终在离层下方岩层采动程度更充分后进行，提高了注浆充填减沉效果；

（2）采用本发明的方法，可以形成连续的覆岩离层，因此，无需为每一个工作面上方的离层沿倾向布置一套注浆系统，节省设备与工程投资。

（3）采用本发明的方法，在工作面之间不留设煤柱，极大地提高了采区的回采率。

附图说明

图1为现有技术中的离层充填减沉法示意图；

图2为关键层载荷计算模型；

图3为采场与上覆岩层的空间关系示意图；

图4为采场覆岩中连续的离层的注浆减沉示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种采场覆岩倾向离层的注浆减沉方法，在本发明的方法中，工作面之间采用无煤柱布设方式，使采空区连续，通过注浆孔向目标关键层下方的离层注浆，所述目标关键层是指通过向其下方离层内注浆控制其断裂、下沉的关键层；并且随着新的接续工作面的开采，离层会延伸到新的采空区上方而不断扩大，当离层扩大时通过注浆孔继续注浆充填，连续的采空区更容易达到充分采动，使离层注浆更加充分，注浆后更为稳定。

第一步：根据地质勘探资料，确定采场上方全部关键层层位。

通常，在煤层开采前，会对煤层上方的地质条件进行分析，根据获得的地质勘探资料分析确定煤层上方全部的关键层层位，其关键层可以利用本领域公知的方法确定。

在本发明中，选择如下方法确定煤层上方关键层：

如图2所示，假设煤层21上方各岩层上的载荷均匀分布，并设采场22的覆岩23中有m层岩层，从下至上有n(n不大于m)层同步变形，则其最下部岩层为关键层，则：

$q_1=\frac{E_1{h}_1^3\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_i{h}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i{h}_i^3}---(1-1)$

其中，q₁为第一关键层的承载，h_i(i=1,2......m)为各岩层的厚度，γ_i（i=1,2......m）为各岩层体积力，E_i（i=1,2......n）为各岩层弹性模量，h_i、γ_i、E_i可以由采场上方地质勘探资料分析得出。

由于第1层岩层所控制的岩层达到第n层，第1层与第n层岩层将同步变形，根据关键层的变形特征，若有n层岩层同步协调变形，则由关键层的支承特性得到：

q₁>q_i(i=2,3,......,n)           （1-2）

由第n+1层岩层的变形小于第n层的变形特征可知，第n-1层以上岩层已不再需要其下部岩层承担其及其上覆岩层的任何载荷，则有：

(q₁)_n+1<(q₁)_n                   （1-3）

${\left(q_1\right)}_{n+1}=\frac{E_1{h}_1^3(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&gamma;}}_i{h}_i+q_{n+1})}{\underset{i=1}{\overset{n+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_i{h}_i^3}---(1-4)$

式中，若n+1=m，则q_n+1=γ_mh_m+q；若n+1<m，则q_n+1应用上式求解q₁的方法求得。假如第n+1层岩层控制到第m层，则q_n+1为：

${\left(q_{n+1}\right)}_{m-n}=\frac{E_{n+1}{h}_{n+1}^3(\underset{i=n+1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&gamma;}}_i{h}_i+q)}{\underset{i=n+1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{E}_i{h}_i^3}---(1-5)$

假如第n+1层岩层不能控制到第m层，则对q_n+1仍需采用公式（1-4）中求解q₁的方法对n+1层的载荷进行计算，直到其解能控制到第m层为止。这样便可以确定出煤层上方全部关键层。

第二步，根据一种方法确定目标关键层：在第一步所确定的关键层中，由于距离采场最近的关键层的下方在开采后会跨落，不会形成离层。工作面之间采用无煤柱布置方式，由于工作面之间没有支撑煤柱，因此，在开采接续工作面时，由于关键层的破坏，离层的位置会上升。因此，在选取目标关键层时，应排除距离采场最近的关键层，选取所述其它关键层中的一个作为目标关键层，并且使得在首采工作面或其接续工作面开采时，离层能够出现在所述目标关键层之下。

比如，对于沿工作面倾向足够长的煤层，随着接续工作面的开采，离层可以出现在主关键层（即最上方的关键层）之下，因此，可选取所述其它关键层中的任一个作为目标关键层；对于沿工作面倾向不够长的煤层，选取的目标关键层应该使得离层能够出现在所述目标关键层之下，例如深部开采，离层可能不会出现在主关键层之下，因此不能选取主关键层作为目标关键层。

优选地，在选取所述目标关键层时，应该选取符合上述条件的关键层中最上的一个作为目标关键层，以减小注浆孔的布置深度。

随着开采的进行，当所述离层出现在所述目标关键层之下时，通过注浆孔向离层内注浆，其中所述首采工作面的倾向长度不会破坏所述目标关键层；

或者，根据另一种方法确定目标关键层：在首采工作面或其接续工作面开采时，当采空区上方出现离层，即选取位于该离层之上且与该离层紧邻的关键层作为目标关键层，通过注浆孔向离层内注浆，其中所述首采工作面的倾向长度不会破坏主关键层，工作面之间采用无煤柱布置方式。

优选地，对于倾斜工作面，通过注浆孔向离层内注浆，所述注浆孔布置在离层倾斜向上的一侧，以使所注浆液更易于充满离层。

在第二步中，开采的工作面之间采用无煤柱布置方式。此时，由于没有用于支撑的煤柱，在接续工作面回采时采空区上方覆岩中岩层的运动形成一个整体，并且形成的连续的离层，即离层在第二步所确定的目标关键层下连续延伸。这样，通过从地表向离层布置的注浆钻孔，向沿倾向不断延伸的离层进行连续化注浆，注浆工作始终在离层下方岩层采动程度更充分后进行。

对于上文所提到的无煤柱布置方式，现有技术中包括错层位巷道布置、沿空留巷以及沿空掘巷，这些无煤柱布置方式均为本领域所熟知，这里不再赘述。

另外，在第二步中，所述首采工作面的倾向长度不会破坏上方全部关键层，即首采工作面的倾向长度不会使上方全部关键层的悬露步距超过其极限悬露步距（也称为断裂步距），否则，由于全部关键层断裂，覆岩中不再有适合注浆的离层。

对于上文所提到的判断目标关键层下方离层出现，在本领域中可以通过多种方式实现，比如，根据计算来判断：当已开采的工作面的倾向长度之和超过目标关键层下方相邻关键层的断裂步距时，可以认为出现所述目标关键层下方形成离层；或根据注浆压力判断：由于离层出现时，会在其空间内形成负压，进而使得注浆压力减小，因此根据注浆压力可以判断。

其中，对于工作面倾向长度与关键层悬露步距之间的关系可以通过如下公式确定：

如图3所示，在煤层21开采过程中，随着采场开采范围的增加，采空区22中垮落带矸石25的上方关键层及其随动层23首先发生断裂、下沉，并与其上方关键层及其随动层24之间形成离层26。如果设计的工作面的倾向长度增大，所述离层26造成所述关键层24悬露步距也会增加。任何材料均存在一个断裂的临界值，岩层也不例外，当达到这个临界值后，所述上覆关键层及其随动层24会发生断裂，使得离层26不再适合注浆。

在判定关键层断裂时，一般采用摩尔-库仑准则，即以拉破坏作为岩层破断的判定条件，其力学模型按照固支梁建立。另外还可以根据弹性薄板力学模型对关键层断裂进行判定。考虑到关键层在开始悬露时，沿工作面走向的尺寸非常小，优选地，在本实施例中，对关键层沿工作面倾向的极限悬露步距选用材料力学中两端固支梁力学模型计算，其表达式为：

$a=h\sqrt{\frac{2R}{q}}---(2-1)$

式中，a为关键层沿工作面倾向的极限悬露步距；h为关键层厚度；q为关键层承载；R为关键层抗拉强度，可以由煤层上方地质资料分析得出。

这样便可根据关键层的悬露步距判断其是否会发生断裂，当悬露步距小于a时，认为关键层不会断裂；否则，关键层会断裂。

另外，从图3中可以看出，工作面开采过程中其上方岩层会以一定的角度向上延伸，形成断裂线（如图中虚线所示）。当断裂线到达关键层23时，关键层23的悬空步距与工作面采空区22长度并不一定相等—只有断裂角度α为90°才会相等。因此，优选地，为了更为准确的对关键层断裂进行判定，在确定关键层23的悬空步距与工作面长度的关系时还应考虑煤层21与关键层之间岩层的厚度h以及断裂角α，

即L＝a+2ctgα∑h_i            （2-2）

式中：a为关键层的极限悬露步距；α为岩石的平均破断角；h_i为第i层岩层的厚度；L为与关键层的极限悬露步距相对应的工作面长度的临界值。如果工作面的倾向长度没有超过L，关键层不会断裂；否则，关键层断裂。

第三步：随着接续工作面的开采，所述离层延伸至所述接续工作面的采空区上方，形成延伸后的连续离层，通过注浆孔持续向延伸后的连续离层内注浆。

如图4所示，所述接续工作面32优选地布置在上一工作面31倾斜向下的一侧，这样有利于设置更少的注浆孔36，比如仅在首采工作面31形成的离层33上设置注浆孔36，当接续工作面32开采时，由于工作面31、32之间无煤柱布置，采空区连成一体，形成连续的采空区上方覆岩的采动程度也相应的增加，离层33从首采工作面31上方进一步延伸至该接续工作面32上方，由于离层是连续的，使得注浆也可以是连续的，因此浆液也从注浆孔36流入并充填该延伸后的离层34，保证注浆工作始终在覆岩采动程度进一步提高后进行。

与传统的设有支撑煤柱的采空区相比，本发明在接续工作面开采时，形成的连续采空区的范围也相应地进一步扩大，因此，其上方覆岩更容易使达到充分采动。

当然，本领域技术人员容易想到，为了实现更好的注浆效果，还可以在形成的连续的离层内设置多个注浆孔，注浆孔的个数可以根据每个注浆孔的作用范围加以确定，而无需为每一个工作面上方的离层沿倾向布置一套注浆系统。其中可以根据下式确定形成的离层的边界：

d＝H₀ctgβ                               （3-1）

其中，d为离层的边界与采空区的开采边界之间的距离，m;H₀为工作面与离层之间的距离，m;β为覆岩下山方向的移动角。

在本发明中，当采空区上方覆岩已经达到充分采动时，如果继续开采新的接续工作面，由于离层下方覆岩难以继续下沉，使注浆难以充分进行。因此，优选地，当时，认为此时采空区已达到充分采动，不再采用无煤柱布置方式开采接续工作面，即此后开采新的接续工作面时，与已形成的连续采空区之间要求设置煤柱以形成支撑；式中，为z个工作面的倾向长度总和；L_i为单个工作面的倾向长度，m；H₀为工作面与离层之间的距离，m。

Claims (7)

1.一种采场覆岩离层的注浆减沉方法，包括：

a、确定采场上方全部关键层；

b、除去全部关键层中距离采场最近的关键层，选取其它关键层中的一个作为目标关键层，使得在首采工作面或其接续工作面开采时，离层能够出现在所述目标关键层之下，当所述离层出现在所述目标关键层之下时，通过注浆孔向离层内注浆，其中所述首采工作面的倾向长度不会破坏所述目标关键层，工作面之间采用无煤柱布置方式；

或者在首采工作面或其接续工作面开采时，当采空区上方出现离层，即选取位于该离层之上且与该离层紧邻的关键层作为目标关键层，通过注浆孔向离层内注浆，其中所述首采工作面的倾向长度不会破坏主关键层，工作面之间采用无煤柱布置方式；

c、随着接续工作面的开采，所述离层延伸至所述接续工作面的采空区上方，形成延伸后的连续离层，通过注浆孔持续向延伸后的连续离层内注浆。

2.如权利要求1所述的注浆减沉方法，其特征在于，在步骤c中，当后，不再采用无煤柱布置方式开采接续工作面；

式中，为z个工作面倾向长度总和；L_i为第i个工作面的倾向长度，m；H₀为工作面与离层之间的距离，m。

3.如权利要求1所述的注浆减沉方法，其特征在于，工作面之间采用的无煤柱布置方式包括错层位巷道布置、沿空留巷或沿空掘巷。

4.如权利要求1-3中任一项所述的注浆减沉方法，其特征在于，在步骤b中，除去全部关键层中距离采场最近的关键层，选取所述其它关键层中的一个作为目标关键层，使得在首采工作面或其接续工作面开采时，离层能够出现在所述目标关键层之下，当所述离层出现在所述目标关键层之下时，通过注浆孔向离层内注浆，其中所述首采工作面的倾向长度不会破坏所述目标关键层，工作面之间采用无煤柱布置方式；其中，在选取所述目标关键层时，选取符合条件的关键层中最上的一个作为目标关键层。

5.如权利要求1所述的注浆减沉方法，其特征在于，当工作面所在的采区煤层倾斜时，所述接续工作面布置在上一工作面倾斜向下的一侧。

6.如权利要求1或5所述的注浆减沉方法，其特征在于，所述注浆孔位于所述离层的倾斜向上的一侧。

7.如权利要求6所述的注浆减沉方法，其特征在于，所述离层的边界满足d＝H₀ctgβ；

其中，d为离层的边界与采空区的开采边界之间的距离，m；H0为工作面与离层之间的距离，m；β为覆岩下山方向的移动角。