1   覆岩离层注浆新技术

    1）覆岩离层注浆技术的应用

    多年来，人们一直都在研究通过不同途径来控制煤炭开采引起的沉陷破坏。国内采用的方法主要有两种，一是在井下采取措施来达到地表减沉的目的，如采空区充填、局部开采、限厚开采、留设煤柱等；二是对地面建筑物和重要地物进行加固，减少沉陷引起的破坏。zui近几年，采矿界在研究覆岩破坏规律的基础上，采取了“覆岩离层注浆”技术，减沉效果明显，简单易行，是地表沉陷治理的一种新方法。

    兖州矿业（集团）公司东滩煤矿在国内外*个成功地将覆岩离层注浆技术应用于特厚综采放顶煤工作面。现场观察表明，整个开采沉降区地表连续平缓下沉，没有发生非连续性的地表移动。该矿14397（西）、14307（东）、14308（西）三个工作面的覆岩离层注浆减沉率一般在50%～60%，地表移动zui大下沉量处于潜水位以上，确保了土地不被水淹，保证了耕地的正常使用，为特厚综采放顶煤开采条件下的地表移动控制积累了经验。此后又在济宁二号煤矿四采区成功地实施了此项技术, 减沉效果达到55%。证明在济宁矿区的地质采矿条件下，采用覆岩离层注浆技术进行地表沉陷的治理是可行的。

    覆岩注浆的机理如下：当工作面开采后，采区上方的岩层在自身重力的作用下开始弯曲并下沉，而其上覆岩层由于具有一定的刚度并不立即下沉，因而在两层岩层的连接面处出现了空隙，这就是离层。当离层发展到一定程度时，由于离层上方的岩层跨度增大而下沉，于是其下面的离层带开始闭合，但其上部的离层带又开始发展，直至平衡拱的顶部。当煤层开采了一定的时间以后，离层就开始形成了，这个时候就是的注浆时机。

    覆岩离层注浆减缓地表沉降技术作为控制地层变形和移动的一种方法，已在多个矿区的薄煤层及中厚煤层应用，并取得了明显的技术经济效益。

    2）特厚煤层开采覆岩注浆应用成功

    兖州矿业（集团）公司东滩煤矿在国内外*个成功地将覆岩离层注浆技术应用于特厚综合机械化放顶煤开采工作面，为特厚综合机械化放顶煤开采条件下的地表移动控制积累了经验。

    该矿的14397（西）、14307（东）、14308（西）三个工作面的煤层埋深为540～575m，煤层的平均厚度为5.4～9.3m，均采用综采放顶煤一次采全高全部陷落法管理顶板，为了能科学地指导覆岩离层注浆设计和施工，他们根据矿山开采沉陷理论中的概率积分法，对注浆和不注浆时工作面开采引起的地表移动与变形的主要参数进行了计算。覆岩离层注浆的主要设计参数包括钻孔的数量、位置、注浆的有效扩散半径及钻孔的间距、注浆离层层位等。设计时根据注浆压力、注浆材料、浆液配比、注浆部位岩层特性及裂隙发育状况等因素，并且参照了国内有关矿区的实践经验，确定了工作面注浆扩散半径为120～150m，钻孔间距为250～300m；根据地面施工条件、井下地质条件、浆液扩散范围、浊浆保护目的及技术经济等因素，确定了3个工作面各自采用2个注浆钻孔。离层层位是影响注浆减沉效果的一个重要因素。经过对地层赋存条件的分析，根据工作面的开采条件、离层形成和发展规律、注浆技术要求，同时考虑到工作面的安全要求，将注浆钻孔的终孔深度定为356～456m。

    在14308工作面即将开采而村庄又无法搬迁的情况下，为了不影响矿井的生产接续、延缓村庄的搬迁和保护泥河公路桥以及邹兖公路澹台墓段，*个采用覆岩注浆技术减缓地表下沉，实现工作面按照计划回采。此次注浆用汽车将粉煤灰从东滩煤矿、兴隆庄煤矿和鲍店煤矿的电厂储灰场运至注浆站，用装载机将其倒入粉碎机进行粉碎，除渣以后流入搅拌池，由输送泵通过管路输送到车间内的储浆池均匀搅拌和过滤，开动注浆泵经过高压管路连续注入离层空间。

    14308工作面自开泵注浆至停止注浆，历时3.5个月，2个孔共注入浆液29.1万m3，其中粉煤灰69174m3、水56226m3。注浆结束以后，澹台墓村庄zui大下沉点的下沉值为0.804m，zui大下沉速度1.4mm/d，地表沉降缓慢、趋向稳定，大部分民用建筑未受到严重破坏，没有出现一间房屋倒塌，达到了延缓村庄搬迁的目的。泥河桥的桥面、桥墩未出现破坏，车辆正常运行。邹兖公路澹台墓段未出现路面裂缝、断裂、塌陷。工作面上部的农田在雨季没有出现积水现象，地表沉陷未波及到地下水，农田正常耕种。现场观察表明，整个开采沉降区地表连续平缓下沉，没有发生非连续性的地表移动。

    14397（西）、14307（东）工作面实际的注浆时间3～8个月，注入的浆液材料为85049～173598m3，注水45988～80567m3、注粉煤灰15351～39083m3。根据观测结果，减沉率一般在50%～60%，地表移动zui大下沉量处于潜水位以上，确保了土地不被水淹，保证了耕地的正常使用。

    3）覆岩离层注浆技术在济宁矿区的应用

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿是济宁（东部）矿区首先开发建设的一对矿井。为了保护农田、高压线路和生态环境，开展了“覆岩离层注浆技术在济宁矿区应用”的研究，在四采区应用覆岩离层注浆技术，减沉效果相当明显。

    济二矿位于济宁（东部）煤田的中部，煤系地层为华北型石炭二叠系含煤构造，奥陶系灰岩为煤系底盘，地层由下而上依次为：奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、第四系。四采区开采的3下煤层埋深525～675m。该矿在吸取其它矿井经验教训的基础上，提出了地表沉陷治理的原则：选择适合本矿井地质、采矿条件的治理方法，边开采边治理，改变过去那种先开采后治理的消极状况。他们根据本矿的实际情况进行了认真的分析，认为具备采用“覆岩离层注浆技术”的条件，于是在四采区实施了此项技术。

    注浆站占地1300m2，位于采区*，站内布置主厂房1座和1个容量400m3的储灰场。主厂房内安装2台DSB-300型高压泥浆泵，布置1个容量20m3的搅拌池和1个容量40m3的储灰池。注浆材料为发电厂的粉煤灰。注浆的方法是将粉煤灰用刮板机和小皮带运至地面主厂房内的搅拌池加水搅拌以后，再用高压泥浆泵通过管路和注浆孔注入到地下的离层带。当注浆的压力大于5MPa的时候注水，促使离层发育；压力小于5MPa的时候注比重为1.1～1.2的粉煤灰浆。

    首先注浆的4302工作面位于采区的中部，设计2个注浆孔。1#孔距切眼236m，孔深415m；2#孔距1#孔333m，孔深437m。注浆层位均为侏罗系底界。钻孔施工直径Ф175mm，下入直径Ф127mm的护壁管，中间下直径Ф73mm的注浆管。注浆站与注浆孔之间采用直径Ф73mm的管路连接。离层的形成是一个动态的过程，一般需要经过产生、发展、稳定、闭合四个阶段。通过概率积分法预测，该工作面全部开采后将形成一个南北长为1700mm、东西宽为759mm的长椭圆盆地，地表zui大下沉为1233mm、zui大水平移动为454mm。对工作面内布设的127个观测点在整个注浆期及注浆以后的定期沉降观测表明，工作面zui大下沉仅为560mm，实施注浆技术以后的减沉效果达55%。

    此项研究表明，离层的发育规律与工作面的几何尺寸、工作面推进速度、采出煤层厚度、采深以及覆岩地层结构等因素有关，但是在工作面圈出和注浆系统施工完成以后，一些参数已经确定，只有工作面的推进位置（即推进速度）是变量，因而成为注浆过程中的一个关键因素。工作面在推至注浆孔位置后面200m的范围内，离层的发育达到zui大，是注浆的*阶段。注浆孔的位置后面600m范围内和注浆压力小于3MPa，都是注浆的有利时期。为了取得注浆的*效果，在注浆的*阶段要加大注浆量，并且适当地放慢工作面的推进速度，以延长离层的稳定时间，增大注浆的总量。

    专家们认为：在济宁矿区的地质采矿条件下，采用覆岩离层注浆技术进行地表沉陷的治理是可行的。

    2 开采引起地面沉陷的综合治理

    1）兖州矿区开采沉陷控制的研究

    为了控制地表的沉陷量、实现农田保护和建筑物下开采，兖州矿业（集团）有限责任公司和山东科技大学研究了覆岩与地表移动的规律，提出了地表沉陷盆地的“分割”与跳采、离层带与冒落带拱基结构注浆、拱基结构参数及其有效控制、注浆材料、就地取土造塘实现农田保护等5项“拱基结构法”地表沉陷控制综合技术方案。此项课题以兖州矿区的典型地层条件为基础，通过有关理论与实验研究加以深化、完善和提高，为兖州矿区地表沉陷控制技术增加了一种新的方法。

    在覆岩注浆减沉实验的基础上考虑到兖州矿区地层条件和开采方法的多样性，同时为了更大程度地减少地表下沉量，课题组人员总结了国内外地表沉陷控制的技术和实践经验，提出了“支托层拱基充填结构法”的研究思路和实验方案，此后又进一步形成了“地表沉陷控制与环保的综合技术研究方案”。

    该方法充分地考虑了采动岩体的动态特性、覆岩结构随采场推进的动态演化特性，将地表沉陷、覆岩变形破坏与采场矿压理论研究结合起来，深入研究采动以后覆岩运动的全过程及其规律性。通过对不同地层结构的分析，提出了沉陷控制的指标和准则，进行了相关开采技术体系的系统研究，使之与“以岩层运动为中心的实用矿压理论”相接轨。“拱基结构法”综合技术方案突破了过去离层内高压注浆减缓地表沉陷的技术框架，形成了自成体系、*特色的技术路线。其优点突出表现为四个方面：减沉效果更大，达到60%以上；地表的*稳定性好，减沉以后的地面受到邻近工作面开采的影响较小，可靠性更高；适用范围广，注浆材料丰富、成本低廉；地面农田可以得到充分的保护。

    2）兖州矿区塌陷地的治理方式

    现在，国内的矿区大多数都是采取造地还田或者充填采空区等方法控制地表塌陷，但是由于成本高、见效慢等原因难以获得较好的经济效益。兖州矿业（集团）有限责任公司在总结和借鉴国内外煤矿塌陷区治理*技术的基础上，结合自身实际，提出了“全面规划、统筹安排、因地制宜、综合治理、化害为利、造福社会”的基本思路，并且制定了相关的技术措施，取得了一定的成效。

    他们治理矿区塌陷地的方式有以下三种：

    ①复垦农林用地。兖州矿区多为厚煤层矿井，塌陷区地势低洼，首先采用全厚充填法一次性将塌陷区垫至原始地面标高，充填所用材料为矸石及电厂粉煤灰等。充填结束以后，必须复上一层厚约0.5m的表土层再进行种植或耕种，才能获得较好的效果。

    ②复垦建筑用地。采用自下而上分层充填、分层碾压喷洒矸石、粉煤灰或强夯加固地基的回填技术来获得较好的建筑用地，由于就近搬迁村庄农民易于接受，而且避免重复搬迁及复建，已成为兖州矿区解决村庄搬迁、开发矿区建筑用地、节约耕地的有效途径。目前，适用于大面积矸石地基的加固处理技术有强夯法、振动压实法及灌浆法。

    ③矸石围建鱼塘。兖州矿区部分塌陷区的积水比较深，复垦的时候存在着充填材料短缺、工程量大等不利因素，因此他们借助塌陷区地形将部分积水区挖深，用于养鱼、养鸭等。对于水面较浅的地区则利用矸石修路作塘埂或堤坝，并选择适当树种进行绿化；也可建成配套的畜牧场，发展生态农业。兖州矿区利用矸石回填塌陷区进行综合治理，既消除了煤矸石占地又有效解决了矸石长年堆积对环境的污染，还使矿区的塌陷地变成了有用之地，具有废渣处理与复垦工程相结合的双重环境效益。

    3）兖州矿区开采塌陷区的综合治理途径

    兖州矿业（集团）公司设计研究院根据国内外煤矿开采塌陷区综合治理技术的发展状况，并且结合兖州矿区的实际情况，就采前预防和采后治理两个方面进行了研究，对开采塌陷区在；综合治理技术的可行性、可能取得的经济效益和社会效益进行了分析。

    兖州矿区现有8对矿井，其中的北宿、杨村和唐村煤矿开采煤层厚度比较小（累计大约为2m），采后的下沉量一般为1.1m，zui大1.5m，对土地的影响比较小；其余6对矿井均以开采3层煤为主，煤层厚度6～9m，开采以后的地表下沉量一般为5～6m，zui大达到7.8m。地表塌陷以后，大部分土地处于当地潜水位以下，矿区80%左右的土地zui终将成为沼泽地。

    开采塌陷区综合治理的技术途径有：

    ①井下采矿工作面充填开采。充填采煤法是“三下”开采中使用比较多的一种方法，目前已经出现以胶结充填为主要工艺的充填开采技术，地表的下沉量显著减少，适宜于3～6m采高。

    ②地面高压钻孔覆岩注浆减缓地表沉降技术。该技术的应用需要上覆岩层具有合适的厚度，使所选的离层层位以下留有大于导水裂隙带厚度的岩层，以免在高压的作用下让浆液流入井下，危及井下的安全生产；导水裂隙带以上的岩层宜存在软硬岩交互沉积的特性，以利于提高注浆减沉的效果。

    ③塌陷区充填复垦。在已经塌陷的地区回填适宜厚度的矸石、粉煤灰、河砂、河道淤泥等废料，恢复被破坏土地的种植性能和作为建筑物地基的性能，可以作为治理的主要方法。

    ④开采塌陷区的挖深垫浅治理。取土筑坝、分隔鱼塘，作为农田灌溉水源和发展养鱼产业，作为上述各种治理方法的一种补充措施，矿井矸石不再占用耕地，开采塌陷区综合治理以后，大量的土地简单复垦以后即可以耕种。

    4）济二矿塌陷地的治理与利用

    兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿通过复垦将荒芜的生态系统恢复重新建成具有生产能力的系统，生态环境*改观，将经济再生产过程同自然再生产过程密切结合起来，在水、土、空间动植物群落等生态系统内部能量的转化率和物质良性循环利用率方面军取得较高水平，呈现出良性生态经济平衡的农业生态系统模式。    

    由于该矿投产时间短，当前的主要地质灾害是由于采煤造成的地表塌陷。前几年，他们对塌陷地作了一次勘察，仅一采区、二采区南部和四采区部分地面有塌陷。如一采区塌陷深度2.5m，二采区南部塌陷深度达3.5m，四采区塌陷深度1.0m。该矿地表潜水位2.5m，一采区、二采区南部会出现部分塌陷积水区域。塌陷区域造成绝产地567.37亩、减产地636.9亩。当时，一采区的部分塌陷区用煤矸石进行了简单的回填，四采区4302工作面用粉煤灰进行了覆岩离层注浆减沉。随着开采的推进，井田范围内塌陷影响面积逐渐加大，塌陷深度也随着变深，绝产和减产的土地增多。一采区和二采区南部变为稳沉塌陷区，具备复垦利用条件。

    该矿的主要固体废料是煤矸石，年产矸石量约100万t，临时堆放在矸石山。矿现有矸石山一座，占地面积约25亩，矸石存放量为50万t。如此大量的固体废料必须全部用于充填塌陷区或者综合利用，以恢复治理塌陷区和消灭矸石堆山的问题。通过生态立体养殖区的建设，解决常年积水区的积水问题，使之成为新的生态景观，对调节区域内的光、热、水、土资源具有明显的作用。通过生态立体种植区的建设和农田的综合整治，减少了水土流失，并形成了“田成方、数成行、林成网”，的农田新景观。通过道路两侧的林带建设，有效的调节了本区域的微气候，并改善了城区的生态环境。     

    5）济东矿区塌陷地的治理利用途径

    由于兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿投产时间短，现阶段的主要地质灾害还只是采煤造成的地表塌陷。随着开采的推进，井田范围内的塌陷影响面积将增大，塌陷深度会变深，绝产和减产的土地也会增多。该矿的主要固体废料是煤矸石，年产矸石约100万t，现临时堆放在矸石山。矸石山占地面积25亩，存放量50万t。如此大量的固体废料必须全部用于充填塌陷区或者综合利用，以恢复治理塌陷区和消灭矸石山的问题。

    规划合计总体布局如下：根据塌陷地形、复垦工程方法和土地利用方式，以济宁市东外环路为界，分为南、北两个复垦区。

    ⑴南复垦区。

    ①精养鱼塘复垦区。位于南区中部，塌陷深度2.5m，部分区域常年积水。为减少回填土方量和周围区域复垦用土，设计为精养鱼塘，每个东西长200m、南北宽50m。该区共开挖20个鱼塘，总面积304.1亩。

    ②塌陷边坡地平整区。位于南区采煤塌陷形成的下沉盆地边缘，通过挖精养鱼塘的土填垫平整恢复耕地。总面积1817.4亩。

    ⑵北复垦区。

    ①精养鱼塘复垦区。位于北区中部偏西，zui大塌陷深度4.5m，靠北区域常年积水。该区共开挖34个鱼塘，总面积515.6亩。

    ②网箱养鱼复垦区。位于北区北部，zui大塌陷深度7.0m，部分区域常年积水，积水深度4m。由于该区塌陷深度较深，为减少回填土方量和将来矸石回填造地预留发展空间，设计为网箱养鱼复垦区。总面积798.3亩。

    ③矸石回填造地区。位于北区中部，zui大塌陷深度4.5m，部分区域常年积水。总面积991.5亩。

    ④塌陷边坡地平整区。位于北区采煤塌陷形成的下沉盆地边缘，通过挖精养鱼塘和部分网箱养鱼区的土填垫平整恢复耕地。总面积1492.5亩。此工程平整土地、矸石造地、修建塘坝和公路的矸石和土方直接工程费为4080万元。复垦土地资源5919.4亩，鱼塘和农用地每年纯收入可达661.8万元；此外，原来荒芜的土地变为具有生产能力的土地，地价的增值相当巨大。更为重要的是将经济再生产过程同自然再生产过程密切结合起来，呈现出良性生态经济平衡的农业系统模式。

    6）矿内输送带运输矸石排放系统有利于回填塌陷区

    煤矿井下生产出来的矸石一直都是采取向地面矸石山排放的方式，不但占用耕地面积、污染环境，而且还经常煤矸石自燃、山体垮塌等危险，也不利于有用物资的回收，山东科技大学和兖州矿业（集团）公司南屯煤矿在总结矿井生产矸石排放经验教训的基础上，研制出了一种矿内输送带运输矸石排放系统，运送矸石的矿车不用出矿，便可以通过汽车直接运往矿外的塌陷区排放，有效地解决了这些难题。

    这种矿内输送带运输矸石排放系统的工艺流程如下：副井、混合井的升井矸石车→翻罐笼→给煤机→带式输送机→拣杂→储矸仓→汽车→塌陷区。主要设备有左侧式3t翻车机、K-4型往复式给煤机、带式输送机和矸石仓仓下装车门等。由于在新排矸系统的输送带走廊设置了6个拣杂口，使得混在矸石中的大量块煤、废铁、旧锚杆、就钢丝绳以及其它杂物得以回收，经济效益非常显著。在新的排矸系统中，矸石车辆上井以后，电机车仅拉运150m左右便可以进行翻罐。由于运输距离大为缩短，使得矿车的周转率明显提高，*扭转了矿车使用紧张的被动局面。

    新系统投入使用以后，省去了原先矸石山2m双筒提升绞车及其电控的维修费用和每两个月更换2000mΦ21.5mm钢丝绳的费用，节约了大量的资金；同时，还减少了矸石山绞车司机9人和机电设备专职维修工6人实现了减人提效。

    新排矸系统*消除了矸石山因堆积太多而出现的自燃、塌方以及因灭火而造成地下水资源浪费。矸石直接回填塌陷区，使得塌陷区短期内即可得到了有效的治理。塌陷区经过矸石回填以后大部分可以恢复为良田耕种作物，弥补了矸石山堆放矸石太多而占用大量耕地的损失。

    7）高压输电线路下安全采煤的技术措施

    兖州矿业（集团）公司南屯煤矿通过对高压输电线路压煤开采技术的研究，开展了大规模的高压输电线路下采煤技术实践，目前已在井田内的南屯Ⅰ线、南屯Ⅱ线、南西线和罗北线四条高压输电线路下开采了58个长壁工作面，安全采出煤炭2231万t，并保障了各条高压输电线路的安全运行。

    采动对高压输电线路的影响程度是随着地表下沉和变形的加剧而逐步增强的，通常不具有突变性，这为线路检修和维护提供了足够的时间。因此，只要在可靠的地表沉陷预计和实时监测指导下，及时将因开采沉陷造成的高压输电线路各运行参数的改变进行维修和调整，确保线路各运行参数始终处于安全许可范围内，就可安全实现高压输电线路下采煤。

    进行高压输电线路下安全采煤的技术措施主要包括两类。

    ⑴井下开采措施。

    通过采取井下开采技术措施控制和减轻地表沉陷与变形量、降低地表沉陷速度、防止地表出现突发性塌陷和非连续变形，以保证地面高压输电线路的采动变形控制在可进行调整维修的范围内。井下开采措施包括厚煤层分层开采、匀速限厚开采、协调开采、条带开采和充填开采等。

    ⑵地面治理措施。

    ①采前加固措施。在高压线受到采动影响前预*行加固和改造，以提高高压输电线路抵抗变形能力和调节变形能力，为后期受到采动影响时的维修和调整奠定基础。工具钢怎么的地质采矿条件，采用开采沉陷预计软件计算出高压输电线路杆塔处的移动变形值及随工作面采动的动态移动与变形，对受影响的杆塔井下基础抬高、结构补强与加固。

    ②开采过程中的维修和调整措施。通过线路的日常巡检及开采沉陷动态预计数据加强对线路运行参数超标情况的及时调节，包括基础带电复位、导线驰度调节及悬垂串偏斜度调节等。

    ③地表沉陷稳定后的改造整修措施。工作面开采结束、地表沉陷稳定后，对线路运行状况进行*检修，视杆塔安全性需要，对开采过程中的杆塔临时加固设施进行调整或改为固定设施，同时对改造后的基础进行加固，确保杆塔基础不受地表积水影响。