1、专题部分煤矿开采冒落区注浆充填量预计研究摘要：煤矿采场冒落区注浆充填是全新的采煤方法，可以有效地解决特殊条件下的煤层开采问题。利用这项技术的一个首要问题就是注浆量的预计研究。基于此，本文分析了煤矿各类冒落区注浆量的预计方法，以及影响采场冒落区注浆量的影响因素。从采场冒落区顶板活动规律和岩块碎胀系数变化规律出发，提出将冒落区分为F型和S型两种类型，并针对两种类型冒落区形态，给出不同的预计思路。提出了冒落区注浆量预计的新方法伪注浆预计法，将此法的预计值作为注浆工程的理论预计值。关键词：煤矿；冒落区；充填；注浆量；碎胀系数；伪注浆预计法1 绪论问题的提出与研究意义我国一次性能源消耗中，煤炭占70%左
2、右，且未来50年仍然是我国国民经济发展的重要能源。未来几十年内，我国以煤炭为主体的能源结构不会改变，煤炭工业能否健康发展事关我国能源安全和经济可持续发展1-3。同时，目前我国煤炭工业面临着环境破坏与资源枯竭两大问题。在煤炭为我国工业发展做出巨大贡献的同时，也带来了一系列环境问题。现阶段我国煤炭开采形成的问题主要有：(1)对土地资源的破坏和占用；(2)对水资源的破坏和污染；(3)对大气环境的污染。尤其是半个世纪以来高强度煤炭开采引起的地表沉陷不仅破坏了生态环境，也对地表建（构）筑物造成较大损害。同时，随着矿井储量逐步减少，煤炭资源枯竭问题日益突出。而在我国生产矿井中，“三下”压煤量约为140亿t
3、，其中建筑物下压煤约为90亿t4。这些煤层大多分布在工业基础较好、开发条件较为优越、对煤炭需求较为迫切的经济发达的东部地区。因此，研究建筑物下煤层开采问题具有重大战略意义。为了解决这些因煤炭开采引起的社会、环境问题，钱鸣高院士先后提出了绿色开采3与科学采矿5理念，并且在其领导之下形成了一整套绿色开采理论与技术。其中，充填开采就是为解决开采沉陷问题而提出的绿色开采技术之一。它是建筑物下压煤开采的最理想技术途径，其优点是煤炭资源的回收率高，能最大限度解放常规开采方法无法采出的煤炭资源。按充填量和充填范围占采出煤层的比例，煤矿充填开采方法可分为：全部充填与部分充填4, 6。采空区全部充填开采就是在地
4、下煤层采出后，顶板尚未垮落前，从采场外部运来充填材料充入采空区形成充填体，完全靠采空区充填体阻止顶板垮落，支撑围岩。煤矿全部充填大致包括以下三个阶段：干式充填；水砂充填；膏体充填。但由于受成本高、充填工艺复杂等因素的制约，全部充填法并没有在煤矿中得到推广应用。部分充填开采，是相对全部充填而言的，其充填量和充填范围仅是采出煤量的一部分，靠覆岩关键层结构、充填体及部分煤柱共同支撑覆岩控制开采沉陷。全部充填的位置只能是采空区，而部分充填的位置可以是采空区、离层区或冒落区。由于降低充填成本是煤矿充填开采技术研究的关键问题。而研究部分充填开采技术，减少充填材料的用量和充填量，是降低充填成本的重要技术途径
5、。为此，结合煤系矿床岩层特点，许家林等人提出了三种煤矿部分充填开采技术，即：采空区膏体条带充填、覆岩离层分区隔离注浆充填、条带开采冒落区注浆充填。煤矿部分充填技术是完全符合煤炭资源开采与环境相协调的绿色开采理念，它扩大了煤矿开采沉陷控制技术的应用领域，在三下煤层开采中具有广泛的应用前景，同时也为煤矿充填开采增加了新的研究内容。目前由于对煤矿部分充填减沉机理及相关理论缺乏系统的研究，使得充填工艺达不到工程实际要求，往往造成工程失败和充填成本浪费。因此，有必要对部分充填技术的相关理论开展研究。冒落区注浆充填是在采空区冒落矸石之间的空隙未被压实之前注入浆液予以充填，充填材料加固冒落岩块后，一起支撑上
6、覆岩层，起到减缓地表沉陷的作用。该技术的价值体现在以下三个方面7-9：一是作为一项地表沉陷控制措施，对地表沉陷进行控制；二是充填材料选用粉煤灰、煤矿粉碎岩石等工业废物，实现工业废物的地下安全处置，对减少粉煤灰场占用的耕地及环境污染，有重要意义；三是该技术充填作业不干扰井下采煤生产，工艺简单、有利于井下通风和防止冒落区火灾，对实现煤矿安全、高效生产有促进作用。由于采煤方法的不同，冒落区充填可以分为长壁开采冒落区注浆充填、房柱式冒落区注浆充填和条带开采冒落区注浆充填。为了能够在现场成功应用推广冒落区注浆充填开采，必须首先确定注浆量，而目前尚无有效的预计方法，为此开展的相关工作也相对较少。研究冒落区
7、注浆量有以下重要意义：（1）能为冒落区注浆工程合理预算提供依据，使得充填开采可行性评估更加准确。（2）在实际注浆充填工程中，注浆量是注浆终止的一个重要判别条件，只有准确地预计出注浆量，才能有效控制注浆工程的实施状况。（3）注浆量的多少关系到注浆充填效果的好坏。若注浆量过少则达不到充填减沉、保护地表建筑物目的；若注浆量过多，则会大大增加充填成本，使煤矿企业因经济上无法承受而放弃使用该项技术。因此，合理进行注浆量预计是进行冒落区充填开采的重要前提之一，故本论文的研究具有重要意义。文献综述岩体微裂隙注浆量预计岩体注浆法就是利用压送的手段通过注浆钻孔或注浆管把具有一定凝胶时间的浆液（即主剂、溶剂、和外
8、加剂的液态混合物）注入到岩体裂隙中，浆液凝结后充填在岩层裂缝中，使岩体的物理力学性质得以改善，这种通过注浆来改变岩体状况的方法称为岩体注浆加固工法10。在自然界的岩体中存在着各种地质成因的裂隙，岩体本身可视为岩块与交切裂隙所构成的地质体。裂隙的几何分布特征、交切形式及其物理力学性质对于各种岩体工程影响巨大，它是产生强度破坏或大量涌水的症结所在。注浆正是利用岩体裂隙存在的特征，将所注液体有目的地压入地层，通过浆液在裂隙中流动、凝胶，实现对岩体裂隙的封堵，达到控水、增强的目的。因此对于浆液在裂隙中扩散情况的研究是至关重要的。就注浆研究现状来看，由于土体颗粒分布的相对均匀性，使其模型建立相对容易，在
9、理论及实验中己得到较好的模拟。而岩体裂隙注浆只能对单一裂隙或均匀分布的裂隙进行模拟实验，难以反映现场复杂的裂隙分布情况。采用传统的参照土体颗粒分布的相对均匀性，岩体单一裂隙或均匀分布裂隙实验室模拟、工程类比等方法等进行模拟分析，模型难以反映现场真实复杂的裂隙分布情况，其注浆量的预测与实际用量相对偏差很大 。基于上述情况，东北大学郝哲利用蒙特卡洛法（Monte-Carlor）模拟了岩体裂隙分布，并根据山东莱芜铁矿谷家台矿区现场注浆实践，编制开发了一套反映裂隙岩体中注浆扩散情况的计算机模拟程序，弥补了裂隙注浆现有理论及实验方法的不足，为工程设计提供更为可靠的依据11。在此基础之上，东北大学王述红提
10、出一种用于岩体微裂隙注浆预测的新方法遗传神经网络法12。即用遗传算法优化神经网络结构，提高神经网络预测能力的新方法。实际工程实例表明，该方法具有预测速度快、精度高、实用性强的特点，是注浆量预测的有效方法。其特点是利用人工神经网络的高度非线性映射能力，并用遗传算法优化神经网络结构，提高神经网络预测的精确性。在位移反分析、钻孔裂缝产状确定等方面已有应用，工程实例中对山东莱芜铁矿谷家台注浆工程的实践进行预测。应用遗传神经网络方法预报现场注浆量，可提供重要的注浆材料需求信息，以便进行注浆的优化设计，只要根据具体问题更换模型训练样本数据集、优选适当遗传神经网络结构，就可以获得相应的注浆量预测值，遗传神经
11、网络方法在地下工程注浆量预测预报中具有广泛的应用前景。离层注浆防治地表塌陷的注浆量预计由于地下煤层的大量采出，导致岩层移动向覆岩及地表传播造成了地表塌陷区形成。覆岩离层区充填减沉的基本原理是利用岩移过程中覆岩内形成的离层空洞，从钻孔向离层空洞充填外来材料来支撑覆岩，从而减缓覆岩移动往地表的传播。离层充填与采空区充填的不同在于充填区是上部岩层，充填工作不会干扰井下工作面的生产13。辽宁工程技术大学杨逾通过对下沉盆地及注浆以后地表实际下沉状态的研究，提出注浆液在孔底以“点源式异向优势”流动模式扩展14。当浆液充填物中水份滤失以后的沉淀物受力时，把可注浆离层带变成一个含有类岩体夹层的有效应力支承层，
12、于是改变注浆层的应力状态，阻止或减缓了上位岩体的进一步弯曲下沉，最终减缓地表下沉。整个注浆系统由注浆井、注浆站和注浆管路组成。而在系统确定之前必须对注浆量和泵压两参数进行计算。经过对离层注浆机理的深入研究，杨逾提出注浆量的两种计算方法14，即地表沉陷影响函数法和开采影响函数法。在此过程中引入了两个参数：充填离层的分布形态系数K2和塌陷速率J(t)。根据同一坐标系中的P-t曲线和V-t曲线，可进行注浆量的计算以及估计在整个注浆过程中的耗能量（由P- t曲线和t轴所成的曲边梯形可得）。地表影响函数法的方法如下：根据地表沉陷区的体积，考虑一定的沉陷率，并经过充填离层的分布形态系数修正，最终得出需要注
13、入的灰浆体积公式如下： ( 11 )式中Vz需注入的灰浆体积，m3；Wmax地表最大下沉量，m；L计计算盆地走向长度，m；l计计算盆地倾向长度，m；K1减沉率；K2充填离层的分布形态系数，一般为0.30.7。其中，L计工的计算公式如下：L计L-S0 ( 12 )式中L下沉盆地走向长度，m；S0走向拐点偏移距，m。l计l-S1 ( 13 )式中l下沉盆地倾向长度，m；S1倾向拐点偏移距，m。此方法可以在预计地表下沉后，根据设计要求和特定岩性算出需注入灰浆量，适用于采区工作面开采后预计地表下沉盆地形状较规则的条件。开采影响函数法的主要步骤如下：首先计算日采出煤层体积，据此计算出日地表塌陷体积，据此
14、确定日需注浆量，最后根据积分法确定出的注浆总量公式为如下： ( 14 )式中V注浆总量；塌陷率，一般取0.50.7；Vc日开采煤层体积；工程要求的目标减沉率；滤失以后的浆体在岩层中的压缩系数；浆液的滤失系数；J(t) 塌陷速率；K浆液常注量；t1起始计算时间；t2终了计算时间。注浆泵流量与泵压与时间的关系如图 11所示，分别是曲线v-t和p-t。则注浆总量即是曲线v-t与时间轴t之间所围成部分的面积。图 11注浆压力和注浆体积与时间t的关系需要指出的是，以上研究所得两种计算方法的前提都是必须进行地表下沉的预测计算。因此，对于注浆量的计算确定，地表下沉预测计算非常重要。另外许多参数在选取之前必须
15、对具体情况加以研究。辽宁工程技术大学张向东则认为离层注浆量的预计按以下步骤进行计算15：先计算煤层采出后留下的空间体积，而后预计地表正常盆地体积，最后确定注浆总体积。计算公式如下： ( 15 )式中QZ充填注浆总量煤层开采后留下的空间体积；K充填系数，一般取0.71.0；LZ采区走向长度；LQ采区倾斜长度；M煤层实际开采厚度；Mch充填法开采时充填体被压实后的高度；VD预计地表下沉盆地的体积。断层冒落带的注浆量预计在井巷掘进过程中，若接近或通过断层破碎带，则有可能造成巷道冒顶，导致断层冒落带的形成。由于顶板冒落，易造成支架破坏、人员伤亡，威胁安全生产。部分断层受采掘活动影响之后活化，易形成导水通道，造成井巷突水。因而，在这种情况下，通常需要对断层冒落带进行注浆加固或者堵水，从而消除安全隐患，使生产正常进行。文献16介绍了越南冒溪煤矿断层冒落带的注浆过程，给出了注浆量的预计公式，并将其与实际数值进行了对比，对于煤矿采场冒落区充填量预计具有一定参考意义。现简述如下：越南煤炭总公司直属的冒溪煤矿年产0.53Mt，是越南的大型煤矿。其处于施工的友谊
