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.

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。

常村煤矿离层注浆充填开采地表沉降概率积分预测与数值模拟研究

以常村煤矿2311工作面为研究对象,通过概率积分法预测和离散元数值模拟,对比分析采取离层注浆充填开采与非注浆条件下开采引起的地表沉陷程度。结果表明:注浆开采后,地表沉降幅度可以得到有效控制,从而有效控制地表沉陷,提高煤矿资源回收率。

覆岩离层充填减缓地表沉降实验模拟研究

以岩石力学、流体力学为基础，采用相似材料模拟手段，对覆岩离层充填减缓地表沉降机理进行了系统的实验室研究．揭示了覆岩内部离层产生和发展的时间与空间规律；探讨了浆液在离层空间的流动规律和存在状态，阐明了充填材料脱水后与注浆压力的关系及其对减沉效果的影响作用；提出了浆液以钻孔为中心呈二向点源式流动特征，为解决实际工程问题提供了科学依据．

覆岩离层充填技术的理论基础与工程实施

概述了覆岩离层充填方法的产生与技术原理，对覆岩离层充填控制地表沉陷技术的关键问题──离层产生机理、离层分布规律及其影响因素进行了深入探讨，给出了６个方面的工程实施要点，所得结论对该技术的设计、施工与应用具有重要的参考和指导意义。

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%。

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。

离层注浆技术在冲击地压防治中的应用

针对华丰煤矿巨厚砾岩覆岩运动引起的冲击地压灾害现状,分析了离层注浆控制覆岩运动的作用机理,并结合矿井离层注浆工程实例,探讨了离层注浆技术在冲击危险矿井中防灾减沉的作用效果。覆岩离层通过注浆充填,可使地表减沉率达50%以上,能有效地控制离层上覆岩层的垮落运动,大大减轻了因巨厚砾岩断裂引起的冲击地压危险。作为一种积极主动治理矿井灾害的方法,离层注浆技术实现了煤矿安全绿色开采,取得了明显的经济效益和社会效益。

煤矿覆岩离层注浆减缓地表沉降技术的应用

地表沉陷控制的关键是治理覆岩破坏。控制覆岩破坏的途径有多种,覆岩离层注浆减沉技术是一种控制覆岩破坏的新方法。本文介绍了该技术在国内外的应用情况,论述了注浆减沉的理论基础和减沉机理,并提出了下一步要解决的问题,为提高减沉率和推广该技术奠定了基础。

矿山覆岩离层注浆时的注浆压力分析

根据注浆减沉实验成果,分析了注浆减沉过程中注浆压力的变化规律:压力快速减少阶段、负压阶段和压力递增阶段;探讨了注浆压力P与离层发展速度△V、注浆量Q的函数关系;重点研究了注浆减沉效果的影响因素:地表减沉率r与注浆量、离层内粉煤灰压实体的分布、开采深度、回采工作面宽度、覆岩岩性及结构等主要因素及其关系;通过对覆岩离层动态规律的分析,探讨了提高注浆减沉效果的技术途径,即采用多层位连续注浆技术,优化采煤工作面设计,在负压阶段加大注浆量。

覆岩离层注浆充填保护地面高压线路试验研究

采用覆岩离层充填控制地表沉陷技术对济宁二号煤矿 4 30 2工作面开采保护地面高压线路进行了试验研究 .针对工作面地质和采矿技术条件 ,设计了合理的覆岩离层充填实施方案 ,包括注浆站、注浆井、注浆管路、注浆运行系统及工艺流程 .通过对地表及高压线杆移动观测站数据进行分析 ,得出覆岩离层充填后的地表下沉曲线、地表减沉率以及高压线杆的下沉与偏斜值 .试验结果表明 ,覆岩离层充填后地表减沉效果明显 ,高压线杆偏斜均未超过其允许限差 。

离层注浆技术的应用与效果

对覆岩离层注浆减缓地表沉降技术在抚顺矿区３个采区，６年时间的应用情况进行了阶段性总结，并对实际应用效果进行了分析。

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。

盾构穿越砂层对地表位移影响模型试验研究

隧道盾构施工过程中不可避免遇到砂土地层,砂土自稳能力差,掘进时易发生安全事故。通过在砂层中模拟盾构掘进及壁厚注浆,研究平行隧道在埋深比和净间距不同情况下施工阶段地表位移的变化。研究结果表明,左线开挖地表沉降曲线符合正态分布形式,各阶段沉降最大值同土体损失率呈线性关系,土体损失率不变时,地表沉降随埋深比增加而减小,平行隧道右线掘进时,对既有左线地表上方产生位移影响,最终沉降槽形状相互交叠。壁后注浆过程中,埋深比不变时,位移值随注浆率的增加而变大,注浆率不变时,注浆对地表抬升的效果随埋深比增加而降低。

覆岩离层注浆充填开采方案及应用分析

为解决铁路下压煤影响煤炭资源释放,以及煤矿开采造成的地表采空区塌陷、矸石排放污染环境等难题,基于覆岩离层注浆减沉技术原理,对门克庆煤矿3101工作面开采地面铁路环线保护煤柱下资源进行研究,详细介绍了覆岩离层注浆充填方案。应用效果表明:采用覆岩离层注浆减沉技术,能够人为形成充填压实承载体、改变覆岩活动状态、大幅度控制地表沉降,和未注浆开采相比,地表减沉率达69.5%~71.1%,充填效果良好。

采动覆岩离层多层位注浆地表沉陷控制技术

为了解决上覆岩层中无明显厚硬岩层、采动过程中难以产生较大尺寸离层空间、离层注浆充填率低的问题,提出采动覆岩离层多层位注浆技术。通过相似材料模拟实验对多层位离层注浆覆岩时空演化规律进行研究,并在淮北矿区某工作面进行现场试验。结果表明:在无较大采动覆岩离层情况下,采用增加钻孔数目的多层位离层注浆方法,在采动覆岩内部形成不同扩散半径的注浆充填体,共同叠加支撑上覆岩层,可以有效减小覆岩破坏程度。实施多层位离层注浆方法,可以有效提高注浆总量和注采比,地表减沉率可达79.92%。提出的离层注浆量计算公式可以精确预计浆液灌注量,准确率超过91%,可为覆岩离层注浆工程提供指导,并为注浆减沉率预计提供参考。这为解决煤炭资源开采引起的地表沉陷问题提供了一种有效和经济的方法,同时扩大覆岩注浆技术的应用范围。

重复采动覆岩离层井下钻孔注浆充填减沉技术

覆岩离层注浆充填减沉技术是煤矿绿色开采体系中的重要组成部分,以焦作矿区古汉山矿16032下分层工作面覆岩离层注浆充填为工程背景,从综合考虑覆岩结构和地表沉降规律的研究思路出发,提出了根据最大下沉角确定缓斜煤层重复采动覆岩离层水平位置的方法;建立了利用井下已有注浆管路系统、在井下大巷布置钻场和斜上钻孔对工作面覆岩离层进行注浆充填的方法;沿工作面走向布置5个钻场,每个钻场布置3个仰斜钻孔,由下至上分别指向亚关键层下方离层区、亚关键层与主关键层间的软硬岩交互区、主关键层下方离层区,终孔位置位于最大下沉线附近。现场监测结果表明:注浆后地表最大下沉量仅0.3 m左右,有效控制了地面沉降状况。受地层产状稳定性、岩体结构以及岩石物理力学性质测试准确性等的影响,关键层位置及离层靶区的准确识别较为困难;在实施井下覆岩离层注浆时,不仅应参考覆岩关键层位判别结果,还应根据覆岩柱状分阶段多次“钻进-注浆”交替进行的方式探索最合理的离层注浆层位。

覆岩离层注浆充填现状与展望

在“碳达峰、碳中和”目标下,对煤炭绿色开采提出了更高的要求。覆岩离层注浆充填是重要的绿色开采方式之一,不仅可规模化消纳煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、煤泥等煤基固废,还有效控制地表沉降。本文全面回顾覆岩离层注浆充填的发展历史和现状,阐述了覆岩离层注浆充填的原理和技术特点,并以霍尔辛赫煤矿3501工作面构筑物下局部离层注浆充填和屯兰煤矿22301工作面走向连续离层注浆充填两个成功案例进行例证分析。基于此,从技术标准、商业模式、地下水保护、新型充填材料选择与使用和政策机制等方面进行了展望,以期为我国覆岩离层注浆充填技术的完善及进一步发展提供思路。

基于采动覆岩离层注浆技术的采煤塌陷控制方法

基于地表沉陷控制理论及覆岩离层注浆充填原理,对覆岩离层注浆技术在实践应用中的关键问题进行了分析探讨,即准确判断关键层所处层位和与煤层之间的上覆关系,选择合适的注浆时机和注浆层位,布设科学合理的注浆孔,保证充足的注浆充填材料和注浆充填压力。