覆岩离层注浆充填现状与展望

韩 磊

(山西焦煤 山煤国际能源集团股份有限公司， 山西 太原 030006)

长期以来的能源格局决定了煤炭还将在很长一段时间作为我国的主体能源。在保障国家能源安全的同时，大规模的煤炭开采造成了数量众多的塌陷区和环境损伤破坏。随着“四位一体”向“五位一体”的国家发展战略转变，煤炭开采需要兼顾环境生态效益，在提高煤炭回采率的同时需要控制地表下沉、处置固体废弃物及保证采场安全绿色高效开采。近年，充填开采技术作为解决上述问题的有效技术在世界范围内得到了大力推广和发展，已经逐渐成为矿山绿色开采的重要部分。充填方法按照充填材料不同主要分为固体充填、膏体充填、高水充填，在这些充填方法中，覆岩离层注浆充填实质上是一种膏体充填方法，以其技术工艺和原理可操作性强、经济效益高、地表减沉效果明显、释放地表构筑物压煤、对井下生产干扰小、注浆和开采互相不影响等优点已经在我国多个矿井沉陷控制及解决压煤问题中取得了显著的效益[1-2]，并在近年得到了广泛推广应用。毫无疑问，在矿井全生命周期中，覆岩离层注浆技术贯穿于开采前的地表减沉绿色设计、开采时的采充协同和开采后的治理预防，是协调矿井开采扰动与矿区生态环境和谐发展的低成本、可持续、新型绿色开采技术。

1.1 覆岩离层注浆充填技术发展概况

注浆充填技术最早作为一种处理煤矿井下开采过程中钻孔穿过含水层时可能出现的突水问题的技术在国外最先被采用[3-4]. 实际上，我国早在20世纪50年代针对“三下”采煤就开始研究塌陷区减沉煤炭开采，彼时主要目的是解放压覆煤炭资源。随着注浆充填技术的进一步发展，也逐渐应用于充填覆岩离层及采空区，减弱开采带来的上覆岩层运移，加强矿柱的稳定性，控制地表下沉，从而达到保护采场安全、地面建筑物及环境不受破坏的目的[5-8]. 波兰曾在 80 年代初尝试将工业废料用钻孔输送到采动覆岩离层空间进行减沉控制试验[9-10]. 与此同时，1985年首次在我国抚顺矿务局老虎台矿进行了正式的覆岩离层注浆控制地表试验，试验取得显著经济效益，随后覆岩离层注浆充填技术在多个矿区推广开来[11]. 1986—1992年在老虎台矿离层注浆试验基础上，抚顺矿务局和阜新矿业学院进一步对覆岩离层注浆充填技术进行试验和完善，并开始逐步推广。1991年大屯煤电公司首次将该技术应用于徐庄矿7215工作面，同时进行了注浆浓度、注浆有效影响半径现场工程试验，探究了重复采动条件对该技术的影响。1994—1999年首次将覆岩离层注浆充填技术应用于放顶煤开采，地表减沉效果较好。2000—2022年唐山矿先后在其T2191、T2195工作面开展了多层位注浆充填，减缓了地表下沉，达到预期效果。

通过整理及总结各矿区开展的大量覆岩离层注浆试验发现，当进行不充分采动时，传统的覆岩离层注浆技术对地表沉降控制具有很显著的效果。若进行到充分开采时，地表沉降控制效果不显著，地表沉降率通常控制在30%～50%，很明显这样的地表沉降率不能够保证地表构筑物的安全，往往不符合建筑物下开采的相关塌陷要求，还需要施加辅助的地表控制手段。近年，覆岩离层注浆技术在传统的技术理论基础上进一步发展，而覆岩离层注浆技术的关键之处就在于需要控制住关键层。主要是利用工作面回采后上覆岩层运移变形过程中出现的离层空间，通过地面注浆压力泵将球磨后的煤矸石、脱硫石膏、煤泥、水泥等充填材料或者混合物浆液，通过注浆钻孔输送到关键层下的离层空间内，浆液沉淀后水去灰留，形成饱和压实体，充分利用隔离煤柱、饱和压实体和上覆岩层的自承载结构三者之间的联合承载结构来支撑上覆岩层。

1.2 覆岩离层注浆充填方案设计原理

在工作面未回采前开展设计注浆区域勘察及质量评述，在工作面回采后上覆岩层会发生移动和变形，在这过程中逐渐形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带，通过关键层理论判断注浆区域关键层位置，在关键层和弯曲下沉带之间会产生离层空间，然后通过设计地面钻孔进行高压注浆充填产生的离层空间，待到充填材料凝固后在回采工作面中部形成一定宽度的注浆充填凝固区，同时配合相邻工作面之间的隔离煤柱共同承载上覆岩层，充分利用隔离煤柱、离层充填凝固空间和上覆岩层的自承载结构三者之间的相互作用形成了低位、中位、高位的联合承载结构来支撑上覆岩层，见图1. 覆岩离层注浆充填技术减轻了传统工作面回采通过隔离煤柱主要承担上覆岩层的压力，有利于隔离煤柱回采从而提高采出率，限制了采动覆岩运移及结构的弯曲下沉，从而很好地控制地表沉降。

图1 覆岩离层注浆设计原理示意图

1.3 覆岩离层注浆充填技术特点

1) 覆岩离层注浆技术适用范围。

覆岩离层注浆技术适用于采深较大，采宽较小，采场上侧和下侧为实体煤柱，开采煤层较厚，基岩较厚的矿井，有利于上覆岩层中离层空间的形成，并且上覆岩层硬度需要均匀，中度硬度以上效果较好，并且软岩和硬岩交替相间分布。

2) 覆岩离层注浆技术工艺要求。

注浆前需要进行注浆区域勘察及质量评价，然后进行工作面参数计算以及注浆时机、注浆充填压力、注浆区域和注浆充填层位确定，接下来设计保护煤柱及注浆钻孔布置，确定注浆钻孔数量、孔间距、部署方案等。同时，进行注浆站及其内部设备、水电控制系统设计。最后需要制定质量保证及安全保障措施。

3) 离层注浆作业结束后会形成三方面的力学效应。

a) 充填结束后离层空间形成的饱和压实体对其上覆关键层及岩层的支撑力，是地表减沉效果的关键力学效应。b) 充填浆液在离层空间扩散填充边缘的裂隙，随着注浆的进行进一步挤压离层空间，从而扩大离层空间。c) 充填浆液在离层空间离析、沉降、凝结后对下部岩层施加向下的作用力，促进垮落带和裂隙带进一步被压实。

4) 覆岩离层注浆充填技术关键影响因素。

覆岩离层注浆充填技术作为一种采注互不影响的充填方法，影响其充填效果的主要因素包括采深、采高、采宽、留设煤柱宽度、采注比、上覆岩层关键层发育情况、注浆层位、充填材料理化性质等。采深过浅可能会导致浆液沿着存在的贯通通道抵达地表，产生冒浆现象，影响地表的生态环境。上覆岩层关键层发育情况通常采用采动充分度(采宽与采深的比值)来评价充填沉降效果，而采深过大时，上覆岩层中存在多层关键层，导致注浆时机难以准确把握，不能及时充满离层空间，造成地表沉降效果不佳。采宽和采高过小不利于离层发育，采宽和采高过大导致离层发育较快，离层空间注浆难度加大。留设煤柱宽度过大降低了采出率，留设煤柱宽度过小会导致煤柱发生失稳破坏。注采比越大，虽然注浆减沉效果越好，但是会增加煤矿的注浆成本，注采比越小，充填离层空间后形成的饱和压实体强度偏低，地表减沉效果不佳。注浆层位不能过高，过高的注浆层位会导致离层空间发育量小，使得注采比较小。充填材料的理化性质是其充填离层空间后形成的饱和充填体支撑强度的主要影响因素，也是决定覆岩注浆充填技术成败的关键。

2.1 案例一：霍尔辛赫煤矿3501工作面

霍尔辛赫煤矿位于山西省长治市长子县境内，井田内村庄及建筑物压煤较多，3501工作面切眼长度246 m，煤层平均厚度5.6 m，采煤工艺为倾斜长壁后退式低位放顶煤综合机械化采煤法。为保护3501工作面内的长子焦化厂及县城北外环公路，经过大量“三下”开采调研，提出了采空塌陷离层注浆控制地面降沉技术，并进行了工程实践。覆岩离层注浆钻孔布置图见图2.

图2 3501工作面覆岩离层注浆钻孔布置图

霍尔辛赫矿采动覆岩离层区注浆项目保护构筑物处地表变形符合构筑物的Ⅰ级保护等级要求，成功释放压煤47.5万t，消耗电厂粉煤灰44.1万t，累计注浆量56.7万m3，实现利润38 475万元。随着该技术的进一步应用，地面注浆站等初期投入将持续发挥作用，企业利润空间将进一步扩大。通过该技术的应用，不仅释放了大量的压覆煤炭资源，消化大量粉煤灰，还可以有效保护上部地层和含水层，经济、环境、社会效益显著，将为山煤国际及其他煤矿企业类似煤层条件下开采及采空塌陷防治提供示范。

2.2 案例二：屯兰煤矿22301工作面

屯兰煤矿地处山西省古交市以南6 km，井田地质构造类型为极复杂，水文地质类型为复杂，各煤层均为带压开采，无冲击地压。22301工作面位于北三盘区右翼，地表有兴能电厂排矸皮带走廊及数条民用公路，工作面中部建有兴能电厂一期灰库和粉煤灰综合利用项目部。为解决兴能电厂粉煤灰运输皮带走廊和西山煤电粉煤灰综合利用项目工厂下压煤、土地资源和固废处置问题，屯兰矿于2020年12月在22301工作面开展采动覆岩离层区注浆充填技术试验,注浆钻孔布置图见图3.

图3 屯兰煤矿22301工作面覆岩离层注浆钻孔布置图

对屯兰矿114个地表沉降观测点进行监测，保护构筑物处地表变形符合构筑物的Ⅰ级保护等级要求，释放原煤118万t，处理粉煤灰及脱硫石膏91.4万t，处理矿井水74.9多万m3. 实现收入总额96 887.06万元，减税3 148.83万元，节约水处理费用254.66万元，共节约固废处置费用2 742万元。此外，屯兰矿未来采用此技术可置换释放井田范围内“两河两路”压覆优质资源约8 095.2万t，延长矿井服务年限12年以上，取得显著经济效益。

1) 技术标准需要进一步完善。

虽然覆岩离层注浆技术在我国两淮、山西等地已经开展了不少工程应用，但在离层注浆作业后的跑浆、地表渗浆、地下水治理、充填材料中重金属迁移规律以及特殊地层及区域开展离层注浆难等问题原因及机理不甚清楚，还需要进一步研究。如对应的相关覆岩离层注浆技术行业标准、技术规范等指导性技术标准需要针对性进一步完善，需要全国各科研院所及研究机构开展广泛合作交流，取长补短，发挥各自领域的研究优势，对现有技术标准进行总结归纳的基础上推动相关技术标准及专利的申报，从而指导覆岩离层注浆充填更好更快地在国内外推广应用。

2) 探索商业模式，进一步推广应用。

一种技术要得到广泛推广应用，离不开商业模式的运作。近些年随着我国充填开采技术的大力推广，涌现了不少诸如山东康格、湖南飞翼等一批从事充填的企业，已经成为充填产业链中重要的环节。我国每年40多亿t的煤炭产量居高不下，毫无疑问存在地表沉降、煤基固废大量堆存、回采率低等问题，“双碳”目标的提出是覆岩离层注浆技术大规模发展的良好契机，为其商业化模式提供了广阔的舞台。推动覆岩离层注浆充填技术的商业化应用需要理论、方法、仪器设备、标准体系等多种创新和完善，这将是一个漫长的艰难探索过程，需要社会-企业-煤矿的多边协作，不断研发适用该技术的产业装备，积极探索多方共赢的商业模式。

3) 覆岩离层注浆技术需要探索地下水保护问题。

工作面回采后随着上覆岩层的运移破坏，地下含水层也会出现不同程度的破坏，并且经过覆岩离层注浆作业后，存在地表通常出现外渗的料浆及外溢水，充填浆液中的重金属元素迁移等问题。近年来，尽管不少科研院所研发了多项煤矿采空区防沉技术，但是针对上述注浆作业后出现的问题开展的研究还不够深入。因此覆岩离层注浆技术需要探索地下水保护问题，探索外渗的料浆及外溢水的成分及形成机理，研究充填料浆中的重金属迁移规律。

4) 新型充填材料选择与使用。

充填材料的选择与使用是覆岩离层注浆充填技术大规模推广应用的主要制约因素。目前覆岩离层注浆充填料浆主要以矸石、粉煤灰为主，但是矸石量约为煤炭产量的20%,作为覆岩离层注浆材料来源不足，粉煤灰作为煤炭燃烧过后的产物，以其特有的理化性质已广泛用于制水泥、肥料和微量复合肥料及制各种轻质建材。并且长途运输矸石和粉煤灰用于覆岩离层注浆在经济上是不可行的，因此，覆岩离层注浆充填开采大规模、长期化、高效益发展，首先应研发廉价、环保且高性能的新型充填材料,其次是在进行充填方案设计时充分联系实际，结合矿区地表生态及地域资源,因地制宜的选择矿区周边诸如废石、河沙、城市建筑垃圾等作为充填材料,按照覆岩离层注浆充填的方法进行生态治理。利用矿区周边选煤厂、火电厂、煤化工厂生产的煤泥、脱硫石膏、气化渣、炉底渣等煤基固废进行充填,这些煤基固废不仅量大，而且数量基本稳定，且距离较近，便于工业化利用。

5) 完善充填开采激励政策，调配约束机制力度。

近年我国颁布施行了《关于实施煤炭资源税改革的通知》《关于落实资源税改革优惠政策若干事项的公告》和《煤矿充填开采工作指导意见》等政策支持充填开采方式采出的矿产资源进行资源税减征，提出以后新建的矿井不允许设立永久性地面矸石山等措施。但是对于矸石充填开采的矿产资源补偿政策及实施细则尚未施行，并且全国各地的政策支持和执行力度差别较大，各省减免标准不尽相同，政策下行实施存在较大困难。整体来看，煤炭资源税减免政策的支持力度偏小,程序复杂且条件严格,未能成为煤炭企业是否采用充填开采的驱动力。以河北开滦集团唐山矿充填开采为例,累计置换出煤炭86.1万t,充填矸石110．5万t,但累计享受资源税减免仅180万元左右,每吨煤减免仅2.1元[12].

覆岩离层注浆充填技术的发展离不开激励政策和约束机制，在已有的政策基础上需要进一步完善激励政策，查漏补缺，赋予地方政府确定部分税收政策的权利，因地制宜，制定精准的政策，取缔地方政府非法设立的收费基金项目，为煤炭企业改善生产经营条件、提高经济效益创造良好的政策环境，激发市场活力，促进煤炭行业持续健康发展。

经过几十年的发展，覆岩离层注浆充填技术经历了从处理钻孔突水为主到防止地表沉陷、提高煤炭回采，矿井水处理到处置固废绿色开采的转变和发展，不仅从源头上保护了生态环境，同时也解放了更多“三下”压煤，提高了煤炭回采率，是当代矿山实现绿色开采、智能化等的一项重要技术。基于覆岩离层注浆充填开采技术对我国未来矿山建设从技术标椎、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，为我国煤基固废无害化利用与煤矿绿色充填开采提供了思路。