一种覆岩离层分区隔离注浆充填开采煤层全部回采方法与流程

本发明属于煤炭开采领域，具体是一种覆岩离层分区隔离注浆充填开采煤层全部回采方法。

背景技术：

充填开采是解决地面沉陷的根本性措施。其原理是充填材料与采后移动岩层“自组织”过程相互作用和影响，达到新的平衡点，形成新岩体，支撑上覆岩体，控制地面沉陷。显然，充填减沉的效果由充填后新岩体的密实程度决定，新岩体越密实，采空区空隙和裂隙空间越小，则岩体越稳定，发生潜在沉陷的可能性越低。

研究表明，采用留煤柱(但不配合充填)开采，煤柱周围为采空空间或排列松散的垮落岩石，则煤柱失稳与时间因素密切相关，随着煤柱的逐渐消损或应力集中达到一定程度，开采引起的地表下沉就可能在多年后发生。若配合充填开采，煤柱失稳前，充填后的新岩体若随时间逐渐达到很好的密实程度，煤柱及其上方未垮倒“八”形岩柱各面(尤其沿煤柱长度方向左右两面)均受到足够的相等或近似相等的压力，煤柱的稳定性较好，煤柱能与压密新岩体共同组成有效的承载体平均分担上覆岩层压力，从而避免煤柱应力集中，有效避免或减缓煤柱冲击倾向。

因此，不管采用何种开采方式，留煤柱也好，不留煤柱也好，要想保证地表沉陷控制达到理想效果，则需要尽量将采空后的空间填实，使岩层尽量恢复原有的密实程度，才能有效防止发生二次沉陷和保证岩层的稳定，保证地面的安全。

覆岩离层注浆减沉就是一种充填开采技术，其基本原理是利用岩移过程中覆岩内形成的离层空洞，通过钻孔向离层空洞内充填外来材料支承覆岩，以达到减缓地表沉陷，保护地面设施的目的。自范学理教授将覆岩离层注浆减沉技术引进国内后，我国学者进行了一系列相关的试验和理论研究。20世纪80年代，覆岩离层充填技术首次在抚顺矿务局老虎台矿进行工业性试验并取得了成功。随后此项技术先后在大屯徐庄矿、开滦唐山矿、新汶华丰矿、兖州东滩矿等数十个矿井进行了离层充填减沉的工业性实验并取得了一定成就。

如果要成功地推广应用离层注浆充填减沉技术，首先必须掌握岩层移动过程中离层的演化规律，即确定特定开采条件下离层层位、大小的定量计算方法，然后在此基础上完善离层注浆减沉钻孔布置原则、优化注浆工艺等；想要取得好的减沉效果，注入的浆体要能够保证关键层始终不发生初次破断。

然而根据离层充填工业性试验现场的调查结果表明，大部分矿井实际减沉效果并不理想，离层注浆时往往首采工作面开采时尚可顺利进行，而到开采邻近工作面时连注水都比较困难。根据现场离层区充填过程，关键层初次破断前其下离层空间是很难被充填满的，离层区内的浆液不能马上对初次破断前的关键层起到有效的支撑，不能阻止关键层的初次破断，从而影响后续离层注浆及减沉效果。由于离层区充填材料为非固结充填材料，浆液浓度小，离层随采面推进不断发展，关键层初次破断前，其下离层很难被浆体充满，充填浆液不能足够有效地支撑初次破断前的关键层，因而无法阻止关键层的初次破断，从而影响后续离层注浆的顺利进行，无法保证注浆减沉效果。这是我国一些矿井离层注浆减沉实验效果不理想的主要原因之一。

针对目前离层注浆充填减沉技术中后续工作面注浆困难以及无法阻止关键层破断等问题，基于关键层理论及离层动态发育特征，有学者提出了“覆岩离层分区隔离注浆充填”技术，通过留设一定宽度自身稳定的分区隔离煤柱隔离各个工作面，使工作面上方的关键层保持稳定并使关键层下形成各自独立封闭的离层空间，从而保证充填材料注满离层区，充填体对关键层起到有效的支撑。分区隔离煤柱与条带开采留设煤柱相比，分区隔离煤柱的宽度设计要求较低，只要能隔离离层空间并保持稳定就行。离层区充填后的充填体能够起到支撑作用，此时离层区充填体承载了上覆岩层的部分载荷，“离层区充填体+关键层+分区隔离煤柱”构成共同承载体，事实上形成了离层充填与条带开采相结合的综合减沉方案。

但是，覆岩离层分区隔离注浆充填减沉技术留设煤柱尺寸巨大，虽然保证了注浆减沉效果，但造成大量煤炭资源的损失。淮北矿区某矿开采的10号中厚煤层，设计工作面长度为220m，为防止关键层下封闭的各离层空间连通，煤柱宽度设定为100m，占工作面的45.45％，则采出率仅为68.75％，远达不到国家要求的中厚煤层采区回采率不低于80％的要求。我国厚煤层开采中放顶煤开采占很大比重，顶煤放出率一般只有70％，若在留煤柱开采，则煤炭损失更多。煤层越厚，顶煤放出率越低，则受顶煤放出率影响，总的采出率相应会更低。

针对留煤柱开采煤炭损失过多的问题，有学者人提出“巷内预置充填带无煤柱开采”技术。该技术是在煤层上区段回采工作面前方运输平巷内，紧靠下一区段回风平巷的巷帮煤壁预置一条研石混凝土巷内充填带(预置充填带与回采互不影响)，下区段回风平巷掘进时，沿预置的充填带进行掘进，不再留设煤柱，实现无煤开采。该技术既不同于完全沿空掘巷技术，也不同于沿空留巷技术，本质上说是综合了沿空掘巷和沿空留巷技术特点的一种新技术。

有的学者根据以上两种技术的优点提出“巷内预置充填带无煤柱覆岩离层分区隔离充填开采”技术，该技术未对区段间及其上方离层注浆作业的空间和时间接替关系等做深入探讨分析。该技术区段间依次顺序开采，相邻工作面采动影响大，巷内预置充填带技术参数如带宽，带高，强度等要求高，稳定条件较差，由于充填带宽度的限制，地质条件不利时，易导致充填带及其上方倒“八”形岩柱失稳，造成各采面上方的离层区空间连通，充填带及其上部未垮岩层也就无法起到支撑关键层、保证其不破断的作用，尤其当工作面处于推采过程中或刚开采完毕，充填带两侧皆为采空区，上覆岩层正在运动或运动尚未稳定，则充填带及其上方倒“八”形岩柱易因岩层运动发生失稳、坍塌，严重者其可能大部或全部损毁、倾倒甚至破碎，埋没于采空区，导致预置充填带失去价值。

还有学者提出采场覆岩倾向离层连续一体化注浆充填减沉的方法，使用包括沿空留巷、沿空掘巷和错层位巷道布置等无煤柱开采方法，使离层区连续发育，以实现离层区连续注浆。但该方法较理想化，理论不足，实际操作中存在很大难度。众所周知，单个工作面推采一般少则半年，多则数年，甚至更长，若只用一个钻孔进行离层注浆，先前注入的浆体已脱去水分，流动性完全或大部丧失，当接续工作面开采时，想要再次通过此钻孔进行后续注浆时，注浆困难的问题必将更加严重。并且，当采空区达到一定尺寸时,上界岩层仍不可避免地挠曲和折断,而折断一旦发生,离层必然大部闭合,注浆减沉目的难以达到；因此，若采空区尺寸过大，则不利于减沉。由于离层区充填材料为非固结充填材料，浆液浓度小，离层随采面推进不断发展，关键层初次破断前，其下离层很难被浆体充满，对于连续发育的长离层则更难充满，必然导致主关键层的破断。因此该方法的可行性不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提出一种覆岩离层分区隔离注浆减沉煤层全部回采技术，在区段之间取消煤柱，实现无煤柱开采，保证煤层的全部回采，大幅提高采出率；使注浆材料较易充满离层区空间，上覆岩体更加密实坚固完整，保证减沉效果，并降低中间孤岛区段开采的矿压显现。从而提供一种覆岩离层分区隔离注浆充填开采煤层全部回采方法。

本发明采取以下技术方案：一种覆岩离层分区隔离注浆充填开采煤层全部回采方法，包括以下步骤，

第一步：根据地质勘探资料，确定采场覆岩关键层；

第二步：根据矿井实际煤层赋存范围和储量合理设计回采工作面倾斜长度，保证该长度下开采不会导致覆岩主关键层破断；

第三步：两个区段(长壁开采系统中，沿着倾斜方向按照一定的斜长把采区或盘区划分为若干个走向的小长条，并在长条带的上部掘进工作面的回风平巷，在长条的下部掘进工作面的运输平巷。每一个小长条叫一个区段)之间间隔一个工作面长度的煤柱，即间隔一个区段，进行分区跳采，先开采煤柱两侧的区段；

第四步：在两区段工作面推采的同时，平行作业，不留煤柱，在其工作面靠近煤柱一侧的顺槽内沿煤壁构筑预置充填带，同时，根据第一步确定的主关键层，可确定主关键层下方离层的位置，随工作面推进及时对各采面上方的离层进行注浆作业；

第五步：开采中间区段要在两侧区段全部开采结束般三至六个月，上覆岩层运动及离层区充填料重新压实达到新的平衡后再进行开采，中间区段工作面进行上下顺槽掘进时则沿充填带进行，开采过程中，也要根据覆岩运移规律，相应地对其上方离层及时进行注浆作业，三个区段全部开采完毕后，上覆岩层由离层空间浆体及其下被压实岩体、充填带及其上方未垮倒“八”形岩柱支撑，保持关键层的稳定性，上覆岩层密实程度达到较好的水平，岩层移动达到稳定状态，即潜在二次下沉几率很小时，再进行中间煤柱，即中间区段的回采工作。

所述的第一步中，采场上方关键层层位由地质资料经过实验室力学分析并进行计算后判定。

按刚度条件由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置。所谓坚硬岩层是指那些在变形中挠度小于其下部岩层，而不与其下部岩层协调变形的岩层。假如第1层岩层为硬岩层，第m+1层岩层为第2层坚硬岩层，则由于第m+1层岩层挠度小于下部岩层的挠度，它所承受的载荷不再需第1层硬岩层承担，则由组合梁原理，必然有：

q1(x)|m+1＜q1(x)|m

式中：q1(x)m+1为考虑第m+1层对第一层岩层承受的载荷；ei，hi，ri分别为第i层(i＝1，2，…，m)岩层的弹性模量、厚度和容重。

上式即为判别硬岩层位置的公式。具体判别时，由煤层上方第一岩层开始往上按上述方法逐层确定硬岩层的位置，直至最上一层硬岩层(设为第n层硬岩)。

计算各硬岩层的破断步距并按以下原则对各硬岩层的破断距进行比较来确定关键层位置。令硬岩层的编号为k，(k＝1，2，...，n)。第k层硬岩层若为亚关键层，其破断距lk应小于其上部硬岩层lk+1的破断距，即满足lk＜lk+1(k＝1，2，...，n-1)。

若第k层硬岩层破断距大于其上方第k+1层硬岩层破断距，则将第k+1层硬岩层承受载荷加到第k层硬岩层上，重新计算第k层硬岩层的破断距。若重新计算后的第k层硬岩层破断距小于lk+1，则取lk＝lk+1说明此时第k层硬岩破断受控于第k+1层硬岩，即第k+1层硬岩破断前，第k层硬岩不破断，一旦第k+1层硬岩破断，其载荷作用于第k层硬岩上，导致第k硬岩随之破断。

所述的第二步中，设计的回采工作面倾斜长度不超过主关键层的极限断裂步距，关键层刚开始悬露时，沿工作面推进方向的尺寸非常小，可选用材料力学中两端固支梁力学模型计算关键层沿工作面倾斜方向的极限悬露步距a，即：

式中，h为关键层厚度；q为关键层承载；r为关键层抗拉强度，可由采场上方地质资料给出的综合柱状图或者钻孔资料经过实验室岩石力学试验得出。

所述的第二步中，将关键层的极限悬露步距限制在沿工作面倾斜方向，当悬露长度小于a时，认为关键层不会断裂，否则，关键层会断裂，工作面倾斜长度的极限值需要满足：

l＝a+2ctgα∑hi

式中，α为岩石的平均移动角；hi为第i层岩层的厚度；l为与关键层极限悬露长度相对应的工作面倾斜长度的临界值。

所述的第三步中，预留的煤柱宽度与工作面等长。

所述的第四步中，只对较小范围进行充填即可满足保证上覆关键层稳定的要求,中间区段回采工作面巷道布置时采用沿充填带掘巷。

在所述的第五步中，中间煤柱宽度等于工作面长。

与现有技术相比，本发明采用了分区跳采，中间预留一个与工作面长度相等的煤柱，两侧区段之间的相互采动影响较小；其次，由于中间区段在一定长时间之后，待上覆岩层移动平衡，采空区重压实，浆体与关键层下岩层组成的新岩体形成后再进行回采，采动影响亦得到缓和；而且，中间区段未采，两侧开采时，充填带一侧靠近采空区，另一侧紧靠中间区段实体煤，而非两侧采空情况，稳定性好；而当一三区段开采完毕并离层注浆三至六个月以后，采空区重新压实，形成新岩体，开采二区段时，充填带及其上方未垮倒“八”形岩柱又紧靠新岩体，稳定性也较好，保证了充填带的稳定性；当两侧区段开采完毕，掘进中间区段上下顺槽并开采二区段时，充填带使工作面与两侧采空区隔离开来，巷道掘进维护及工作面作业环境更加安全健康。

附图说明

图1为构筑预置充填带示意图；

图2为一区段巷道布置；

图3为一区段开采及离层注浆；

图4为三区段巷道布置；

图5为三区段开采及离层注浆；

图6为三区段巷道布置；

图7为二(中间)区段开采及离层注浆；

图中1-巷内填充带，2-运输平巷，3-实体煤，4-工作面，5-采空区，6-表土层，7-主关键层，8-煤层，9-预制填充带，10-运输平巷，11-回风平巷，12-钻孔，13-浆体，14-三区段运输平巷，15-三区段回风平巷，16-二区段运输平巷，17-二区段回风平巷。

具体实施方式

本发明的目的在于，提出一种覆岩离层分区隔离注浆减沉煤层全部回采技术，在区段之间取消煤柱，实现无煤柱开采，保证煤层的全部回采，大幅提高采出率；使注浆材料较易充满离层区空间，上覆岩体更加密实坚固完整，保证减沉效果，并降低中间孤岛区段开采的矿压显现。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种覆岩离层分区隔离注浆减沉煤层全部回采方法，所述方法包括以下步骤：

第一步：根据地质勘探资料，确定采场覆岩关键层；

第二步：根据地质勘探资料，结合第一步设计和矿井实际煤层赋存范围和储量合理设计回采工作面倾斜长度，保证该工作面开采不会导致覆岩主关键层破断；

第三步：在工作面靠近煤柱一侧的顺槽内沿煤壁(而非采空区)构筑预置充填带，如图1所示。

第四步：两区段之间间隔一个工作面长度的煤柱，即间隔一个区段，进行分区跳采。先开采煤柱两侧的区段，对这两个区段开采的先后顺序没有硬性要求，可以先后开采，也可以平行开采，为开采中间区段工作面做准备。根据覆岩运动规律，预计此两区段上方最大离层的位置，随工作面推进情况及时对各采面上方离层进行注浆作业。图2所示为一区段巷道布置；随后开采图3所示的一区段并及时进行离层注浆；图4所示为三区段巷道布置；随后开采图5所示的三区段并及时进行离层注浆。

第五步：开采中间区段要在两侧区段全部开采结束一定时间(一般三至六个月以上)上覆岩层运动及离层区充填料重新压实达到新的平衡后再进行开采，中间区段工作面进行上下顺槽掘进时则沿充填带进行，如图6所示为两侧区段开采完后三区段巷道布置。开采过程中，也要根据覆岩运移规律，相应地根据开采进度对其上方离层及时进行注浆作业，图7所示为中间区段开采及离层注浆。三个区段全部开采完毕后，上覆岩层由离层空间浆体及其下被压实岩体、充填带及其上方未垮倒“八”形岩柱支撑，保持关键层的稳定性。

优选地，所述的第一步中，采场上方关键层层位由地质资料经过实验室力学分析并进行计算后判定。

优选地，在所述的第二步中，设计的回采工作面倾斜长度不能超过主关键层的极限断裂步距，关键层刚开始悬露时，沿工作面推进方向的尺寸非常小，可选用材料力学中两端固支梁力学模型计算关键层沿工作面倾斜方向的极限悬露步距a，即：

式中，h为关键层厚度；q为关键层承载；r为关键层抗拉强度，可以由采场上方地质资料给出的综合柱状图或者钻孔资料经过实验室力学分析得出。

将关键层的极限悬露步距限制在沿工作面倾斜方向判定即可，当悬露长度小于a时，认为关键层不会断裂，否则，关键层会断裂。工作面倾斜长度的极限值需要满足：

l＝a+2ctgα∑hi

式中，α为岩石的平均移动角；hi为第i层岩层的厚度；l为与关键层极限悬露长度相对应的工作面倾斜长度的临界值。

优选地，在所述的第三步中，预留的煤柱宽度与工作面等长，有利于煤柱区段回采时合理布置工作面。即使多年后进行回采，可行性也高。

优选地，在所述的第四步中，工作面由于分区跳采，离层开始生成到各自工作面开采结束的时间内，覆岩沿倾向的采动程度不充分，因此离层区的范围小并且下方的岩层处于未充分采动，只对较小范围进行充填即可满足保证上覆关键层稳定的要求。

优选地，在所述的第四步中，中间区段回采工作面巷道布置时采用沿带(充填带)掘巷。

优选地，在所述的第四步中，待两个工作面开采完且离层注浆实施过一定时间，上覆岩层活动及其组成的支撑体(即“离层区有效浆体+采空区压实岩体+关键层+充填带及其上方倒“八”形岩柱”)稳定后，上覆岩层密实程度达到较好的水平，岩层移动达到稳定状态，即潜在二次下沉几率很小时，再进行中间煤柱，即中间区段的回采工作，亦可降低中间区段开采的矿压显现。

优选地，在所述的第五步中，此时的中间区段工作面本质上来说称不上是孤岛工作面了，因为浆体充填了岩移形成的离层空间，弥补了这部分空间体积，覆岩承载结构经一定长时间的压实和稳定后，形成较密实的稳定结构，覆岩压力及移动达到新的平衡状态，煤柱，即中间区段上的集中应力或压力又重新转移至两侧已采工作面重压实区，支撑体平均分担了上覆岩层压力，因而在开采所谓的煤柱(中间区段)时，不会出现常规开采技术条件下孤岛工作面的高应力情况。因此本质上中间区段已不再是孤岛工作面，反而相当于孤岛工作面两侧岩体的岩性发生了改变，即经历了“原岩体-煤层采空后较松散岩体-离层区浆体与较松散岩体压实后的新岩体”的变化过程，因此可视中间区段工作面又在另一种新的地质条件下回采。

优选地，在所述的第五步中，中间煤柱宽度等于工作面长，为大尺寸煤柱，足够使关键层下离层区在关键层初次破断前被隔离成各自封闭的空间，保证各离层不沟通、关键层悬露长度在极限跨距之内，保持各自离层空间的独立性和稳定性。各隔离的离层区注浆后，能够对关键层进行有效的支撑。该开采方式实际上形成了离层注浆、宽度为工作面长的大煤柱与巷内预置充填带相结合的综合减沉方案。

下面以本发明所述方法在煤炭生产中的实际应用为例，对本发明进行详细说明。

第一步：根据地质勘探资料，确定采场覆岩关键层，该矿确定120m巨厚火成岩为主关键层。原条带开采工作面宽度为220m，中间条带煤柱宽度为100m。

第二步：据地质勘探资料，结合第一步设计和矿井实际煤层赋存范围和储量合理设计回采工作面倾斜长度，保证该工作面开采不会导致覆岩主关键层破断；原条带开采工作面宽度为220m，中间条带煤柱宽度为100m；而运用本发明，中间条带煤柱宽度亦留设为220m。

第三步：在工作面靠近煤柱一侧的顺槽内沿煤壁(而非采空区)构筑预置充填带，如图1所示。

第四步：两区段之间间隔一个工作面长度的煤柱，即间隔一个区段，进行分区跳采。先开采煤柱两侧的区段，对这两个区段开采的先后顺序没有硬性要求，可以先后开采，也可以平行开采，为开采中间区段工作面做准备。采用本发明的开采设计，两侧区段先开采，并及时进行注浆作业，为开采中间220m的煤柱做准备。

第五步：两侧区段全部开采结束六个月左右，上覆岩层运动及离层区充填料重新压实达到新的平衡后，中间区段工作面进行上下顺槽掘进时则沿充填带进行。而后要根据覆岩运移规律，相应地根据工作面开采进度对其上方离层及时进行注浆作业。

本发明提供的一种覆岩离层分区隔离注浆减沉煤层全部回采技术。该方法为了改善目前离层注浆充填方法存在的回采率低、注浆充填作业困难、减沉效果不好的问题，使用巷内预置充填带取消煤柱，进行分区隔离跳采和离层注浆，在反回来开采中间条带煤柱并进行离层注浆，有效控制各个区段岩层下沉。本发明与现广泛应采用的技术相比，具有采区回采率高、注浆充填减沉效果好以及降低中间孤岛区段开采矿压显现的优势。