The research progress and prospect for the technology of controlling surface subsidence by grouting separated layer in overburden at coal mines in China

The developed process and theoretical achievement for the technology of controlling surface subsidence by grouting separated layer in overburden is summarized in this paper. The research progress of the technology is discussed synthetically on the basis of practice and research results obtained at coal mine of China in recent years. According to the development tendency of mining under buildings, water bodies and railroads and the properties of the technology, the future research direction is proposed.

Mechanics Principle and Engineering Application of Split Layer and Bed Separation of Mining Overburden

To control land surface subsidence caused the underground mineral exploitation and the catastrophic phenomena such as serious damage of buildings, waterbodies, cultivated lands, railways, bridges caused by land subsidence, bed separation grouting technology of overburden is put forward. To provide theoretical support for the technology, the characteristics and the mechanics mechanism of mining overburden from layer-split to formation of bed separation are studied. On the basis of elastic sheet board theory, calculation formula of rock sheet deflection is presented, and the mechanics criteria of the separation formation and the calculation formula of bed separation volume are set up. Finally, the applications and technics of bed separation grout technology of mining overburden to control land subsidence in china are introduced.

河流下多煤层开采安全性及保护技术

我国新疆地区干旱缺水,艾维尔沟河作为新疆一条具有重要地理特征和环境影响的河流,其对于流经区域的经济、生态都具有重要意义,因此在艾维尔沟河下进行煤炭开采时,既要保证矿井安全也要保证河流的正常使用。采用理论分析、数值模拟等方法对河流下多煤层开采安全性及河流保护技术进行研究,通过理论计算得到多煤层开采条件下,覆岩导水裂隙带发育高度(11401工作面为41.9 m、1502工作面为110 m、11401工作面为113.8 m)并绘制剖面示意图;同时,采用数值模拟方法对覆岩导水裂缝发育形态及高度进行确定,最终基于导水裂隙带高度(117.8 m)与最小煤层埋藏深度(191.5 m)的相互关系,确定河流下开采是安全的可行的。在保证河流下煤层安全开采的前提下,通过分析离层注浆原理,并结合采动影响特征参数及工程现场,提出了以离层注浆为主,河道防渗及优化开采设计为辅的多手段对采动影响范围内地表特定目标的精准保护技术。根据实际采矿地质条件,采用概率积分法计算试采工作面开采前后河道位置处地表移动变形,计算结果显示:采用离层注浆精准保护技术后,河道的最大水平变形值(2 mm/m)未超出允许坝体的极限变形值(2.5 mm/m),所以采用离层注浆精准保护技术可以实现,井下安全开采的同时,保证河道的正常使用。通过对河流下多煤层开采的安全性及保护技术的分析研究,为矿山绿色开采提供参考和借鉴。

建筑垃圾分离渣土热活化研究及其在盾构注浆料中的应用

成分复杂、火山灰活性低是制约建筑垃圾分离渣土资源化利用的主要原因。研究了建筑垃圾分离渣土的热活化处理及其在盾构注浆料中的应用。结果表明:未经处理的建筑垃圾分离渣土主要由惰性水化产物、石英或方解石组成,经过热活化处理后,建筑垃圾分离渣土中形成了新的活性组分,部分取代粉煤灰和天然细砂后能够促进水泥基胶凝材料体系的水化反应。考虑活性激活效果和经济性,热活化温度500~800℃为宜。使用热活化温度为500℃的建筑垃圾分离渣土制备的盾构注浆料性能符合DB11/T 1608—2018的要求。

厚层坚硬岩浆岩下采空区注浆充填试验研究

针对煤层开采形成的厚层坚硬岩浆岩大面积悬顶问题,以海孜煤矿局部岩浆岩侵入体为研究对象,分析了地表岩移和岩浆岩体下离层的发育特征,开展了井下采空区注浆填充试验工作。研究成果表明,海孜煤矿二采区工作面回采后,实测的地表最大沉降量仅为487 mm,远低于无岩浆岩发育区的采动造成的地表沉降量;岩浆岩体未破断,采空区和岩浆岩体之间存在离层空间;通过对垮落带、裂隙带和离层带实施地面钻孔注浆,构建了人工柱体,消除了因厚层坚硬岩浆岩体的大面积悬顶形成的高应力集中现象。

煤矸石覆岩离层注浆充填绿色开采技术研究

为了解决葫芦素煤矿煤矸石量过大以及地表沉陷问题,采用煤矸石覆岩离层注浆充填绿色开采技术对关键层进行充填。基于关键层判别理论,确定了21404综采工作面上覆亚关键层1为注浆目标区域,通过14个间距为160 m的注浆钻孔,有效控制地表最大下沉量至85.89 mm。地表下沉稳定的同时,实现了对煤矸石的大量消耗,是平衡煤矸石产出消耗的重要手段。

断层影响下覆岩离层注浆技术研究及应用

“双碳”目标下煤炭仍然发挥着战略资源的重要作用,但当前诸多矿区村庄下压煤量大,限制部分矿井采煤工作。以大社矿921103工作面为对象,分析了工作面开展覆岩离层注浆技术的可行性,计算出921103工作面导水裂隙带高度,并结合矿井实际情况确定了工作面离层注浆层位。研究并确定了工作面钻孔间距、钻孔结构以及注浆压力。根据921103工作面地质情况,在断层影响下对钻孔进行了优化设计,最终注浆量达19.87万t,注采比45.8%。地表变形监测结果表明,最大下沉值811 mm,平均下沉值331 mm,减沉效果显著,经济效益明显。

煤矸石代替粉煤灰充填的研究与应用

“三下”压煤开采时,采用覆岩离层注浆充填工艺,通过注浆材料优化,对煤矸石和粉煤灰两种材料进行采样分析、地面沉降效果分析及经济效益对比,得出了采用煤矸石代替粉煤灰作为原材料进行覆岩离层注浆能够实现经济效益最大化的结论。

葫芦素煤矿离层注浆矸石充填浆液制备工艺技术特点

阐述了现有矸石离层注浆充填存在的问题,介绍了葫芦素煤矿离层注浆中采取的改进措施和特点,对矸石浆液的制备工艺、出料矸石粒度的确定、破碎机的选型、球磨机型式和驱动方式的选择、球磨机的检修、设计中应注意的问题进行了有益的探讨,分析了葫芦素煤矿离层注浆矸石充填项目运行后的经济效益和社会效益。

采动覆岩与地表下沉关系模型及离层量估算方法

地下开采可能导致地表沉陷、基础设施损毁、土地破坏或地面积水等,进而诱发生态环境恶化。而采空区固体充填和覆岩离层注浆是控制岩层移动,减小采动损害的有效技术手段。传统的覆岩离层注浆往往采用关键层理论、数值模拟、相似材料模型实验和理论分析手段,因涉及的物理力学参数多、边界条件限制等,计算过程复杂,仅能给出离层层位,难以定量确定离层量。开采沉陷研究表明,采动覆岩与地表移动方向指向采空中心,移动边界可以简化为线性边界,基于下沉盆地主断面上地表下沉与任一覆岩下沉的面积相等和煤系地层的层状特征,构建了采动覆岩与地表下沉的关系模型,较好地反映了覆岩与地表下沉随边界角、工作面宽度、开采深度的发展演化规律。采动覆岩与地表下沉比值随埋藏深度增加而增大,反映了采动下沉效应从顶板向覆岩、地表的传递规律;随着宽深比的增加,同一层位岩层下沉与地表下沉比值减小,地表下沉增大;当边界角减小时,地表下沉范围增大,地表下沉值减小。结合钻孔揭示的覆岩结构与组合,可以逐层计算上覆岩层和地表的下沉值,利用两相邻岩层下沉的非一致性,可以确定各岩层间的离层量,通过计算导水裂隙带高度,剔除导水裂隙带内无法形成封闭充填空间的无效离层,进而优选确定出适用于覆岩离层注浆的最大离层及层位,为覆岩离层注浆减沉设计提供了简单、便捷的离层识别方法和离层量定量计算方法。

离层注浆开采关键层变形特征及地表沉陷控制效应

为研究覆岩离层注浆开采条件下关键层变形特征及地表沉陷控制效应,准确预计地表移动变形值,对离层注浆开采关键层变形进行了力学分析,将关键层下方离层注浆充填体和煤岩体的组合视为弹性地基,并将之划分为压实区、欠压实区和实体煤区3种不同的区段,基于弹性地基梁理论,给出了关键层挠度方程和弹性地基系数计算方法;采用“两步法”,通过分层模拟的方式开展了离层注浆开采关键层变形与地表沉陷数值模拟,研究了不同工作面宽度条件下离层发育和关键层破断特征,以及不同注采比条件下地表移动变形特征;借鉴等价采高理论,将离层注浆开采条件下关键层弯曲下沉空间等效视为开采空间,结合概率积分法,建立了适用于离层注浆开采的地表沉陷预计模型。以淮北矿区袁店二矿7221离层注浆开采工作面为例进行了验证,结果表明:该地质条件下,离层注浆开采工作面宽度宜设计在90~120 m;采用提出的预计模型和方法能够对离层注浆开采条件下的地表沉陷进行有效预计,预计值与实测值平均误差9 mm,在允许误差范围内;离层注浆开采地表沉陷控制效果显著,减沉率约83%。

岩体离层作用下全长黏结型锚杆受力分析

针对巷道锚固范围内出现离层,引发锚杆脱粘失效的问题,基于围岩变形中全长黏结型锚杆的荷载传递机理,分析离层作用对锚杆的影响,建立含有离层的系统锚杆受力分析模型,研究岩体离层下锚杆受力特性及失效机制。研究结果表明:离层会对锚杆产生附加应力,系统锚杆在离层作用下锚固界面剪应力及杆体轴力迅速增大,且界面容易发生脱粘滑移;在离层位置处,界面剪应力发生跳跃,轴力最大值从中性点位置转为离层处;离层位置对锚杆的受力特性有一定影响,离层发生在中性点附近时,产生的不利影响最大。研究结果为易发生离层的巷道锚固支护设计提供理论参考。

基于岩层移动类双曲线模型的水资源“浅保-深储”方法

针对煤炭开采导致地下水位下降和地表植被破坏等生态问题,基于保水采煤的科学内涵和采动覆岩移动类双曲线模型,建立了采动覆岩不同层位含水层“浅保-深储”差异化保护方法。即在上覆岩层破坏损伤最窄的主关键层下离层区注浆控制其上部岩层不破断,保护潜水水位和地表生态;其下部破坏的含水层利用采空区垮落岩体的空隙储存起来,经自净化后再利用。“浅保-深储”模型融合了采空区充填和煤矿地下水库保水的各自优势,并给出其适用的覆岩条件。根据采动覆岩“类双曲线”破坏移动特征,理论推导了主关键层下离层区初次注浆、周期注浆步距以及注采比,分析了注采比受主控参数的影响规律,得知注采比随垮落角和主关键层与煤层间距的增大而减小,随充分采动角和工作面推进距离的增大而增大。采用现场实测注浆数据对理论注采比进行验证,2者基本吻合。采用数值模拟对比分析了覆岩含水层“浅保-深储”、采空区充填保水地下水库的储水效果和煤柱稳定性,获得了采动覆岩移动和地下水流动均具有显著的“类双曲线”特征。基于理论注采比在主关键层下离层区注浆能够实现不同层位含水层“浅保-深储”,且该保水方法煤柱支承压力最大可降低60.8%,显著提高了储水采空区隔水煤柱的安全性,解决了井下采煤与充填难协调问题,利于煤炭绿色、安全、高效开采。

综放工作面超前支护区自承压支护技术研究

为解决工作面回采巷道因采用超前支护装备时所需人员劳动强度大或反复承载破坏顶板等问题,以王庄煤矿8105工作面为工程地质背景,综合运用理论分析与数值模拟的手段,分析研究工作面超前段巷道变形破坏特征,基于锚注支护技术原理,提出采用注浆锚索支护代替超前单体柱支护的方式,并进行了现场试验。结果表明,采用锚注支护技术后巷道顶板未发现明显离层和裂隙发育,围岩整体性良好;超前支护范围内巷帮收缩量最大557 mm,顶板下沉量最大322 mm,巷道变形得以有效控制且处于安全合理范围内,替代了单体柱超前支护,为类似条件下综放工作面超前支护技术提供可靠的技术借鉴。

采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型及应用

覆岩离层注浆技术已被证实是一种能够满足矿井无损开采与固废减排的新方法。为了有效控制采动引起的地面构筑物沉降,以关键层理论为基础对离层注浆开采全过程进行稳态分析。首次提出了采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型,分别为常规区、过渡区、注浆区和控制区,并推导出“四区”范围的计算公式。以3501工作面控制地面焦化厂沉降为工程背景,结合相似模拟与现场实测的沉陷观测数据对提出的“四区”模型进行验证,结果表明:相似模拟离层注浆地表沉陷曲线呈不规则的“V”字形,工作面地表下沉量先快速增大,到达最大下沉点后,地表下沉量先快速减小,随后减小速率逐渐变缓,沉陷曲线表现出明显的“四区”分布,最大下沉量为1589 mm,出现在常规区与过渡区的接触边界,过渡区与注浆区接触边界下沉量为497.94 mm,控制区内基本无下沉;基于概率积分法预测的注浆条件下采动引起的地表下沉量、水平变形、倾斜和曲率与现场实测结果相符,但明显小于未注浆条件下的预测值,确定了注浆条件下地表变形满足构筑物Ⅰ级损坏等级的要求;结合矿井的实际工程地质及实际观测数据,得到常规区范围为261.19 m,过渡区范围为246.09 m,注浆区范围为655.25 m,控制区范围为199.53 m。提出的“四区”控制模型为研究离层注浆开采沉陷问题提供了基础理论依据。

分仓注浆减阻方式在长距离顶管中的应用

某电力管廊工程采用顶管施工,最大顶进长度达445 m,如何降低顶力是实现无中继间一次顶进的关键。为减少摩阻力以降低顶力,在管节上增加钢筋环,加大管节与土体之间的间隙,形成厚泥浆套以降低摩阻力,并形成分区注浆机构,储蓄泥浆,保证减阻效果。分析顶进过程顶力、摩阻力及注浆压力的变化规律,得出结论:监测计算得出的最大顶力低于目标控制顶力,并相对理论总顶力降低了约33.42%;摩阻力大幅降低,使得大管径顶管在不采用中继间的情况下实现超长距离一次顶进;泥浆套厚度的增大需增加注浆效率和压力;增大注浆压力后,地面无冒浆和隆起现象,且周边沉降符合设计要求。

村庄下覆岩离层注浆充填开采技术的应用

孙村煤矿井田范围内有27个行政村,千米以浅可采资源量1500万t,90%可采资源为建下压煤。为保证煤矿正常接续,通过实施覆岩离层注浆充填开采技术,在地面施工钻孔对采动覆岩离层区实施注浆充填,在采空区中部形成一定宽度的注浆充填承载区,形成覆岩关键层结构—充填区承载层—区段或其他隔离煤柱的复合支撑承载结构,实现对地表塌陷的有效控制,地面建筑物破坏等级控制在Ⅰ级以内,实现建筑物下的安全开采。

基于富高压水蚀变砂复杂地质洞段施工技术研究

长大隧洞穿越不良地质洞段,遇断层易发生涌水、涌砂、蚀变砂等复杂地质情况,应用超前地质预报、水砂分治、递进灌浆、置换松散体、分层开挖等施工技术是隧洞修建成功的关键。文中通过对桓清2号隧洞不良地质洞段涌水、涌砂及蚀变砂等问题的分析,提出富高压水蚀变砂洞段超前地质预测、水砂分治导水卸压、微扰动固砂、围岩破碎带多种材料梯阶递进式灌浆、回填混凝土置换破碎松散体阻水防塌、富高压水蚀变砂段分层开挖强支护等施工技术措施,为同类工程施工提供一定的参考。

覆岩离层注浆充填分带模型及工程应用

在现有“三带”理论、“四带”模型的基础上,对覆岩离层注浆充填后的覆岩状态沿工作面走向由下至上划分了破裂垮落重组带、安全隔离带、基岩完整带和松散层冲积层带的覆岩离层注浆充填“四带”。工程实践结果表明,采煤工作面覆岩离层注浆充填后,下沉值满足了“三下”采煤规范中建(构)筑物保护等级Ⅰ级标准,注浆预警区、过渡区未出现突然沉降、不均匀沉降等现象。该分带模型对同类覆岩离层注浆充填工程技术推广应用有一定的指导意义。