煤炭资源的开发利用对我国国民经济建设起到关键作用的同时，也对区域生态环境造成了不同程度的影响和破坏，如何消除煤炭资源与生态环境之间的矛盾，兼顾煤炭资源开采和塌陷损害控制，已成为煤矿可持续发展中亟待解决的问题。经过长期的研究和实践，我国在开采沉陷理论及其损害防治等方面已经出现了日新月异的发展。在采煤造成的覆岩运动与控制理论方面，提出和建立了关键层理论及其判别准则，并通过对关键层理论在矿压控制、卸压瓦斯抽放、离层注浆与建筑物下采煤等方面的工程应用总结，初步探讨了离层注浆控制地表沉陷的机理[1]。而之后国内学者又利用关键层判别方法建立了采煤沉陷覆岩变化力学模型和函数模型[4]。基于理论研究结果，现已经形成了比较完善的减沉控制技术，并进行了大量的现场实践，为建筑物下压煤开采提供了一条新的技术途径[6]。

本文以王庄井田某工作面为例，在总结现有充填和减沉控制技术的基础上，结合研究区实际情况，提出采动覆岩离层区注浆充填技术来控制采空塌陷过程，实现采空塌陷的有效控制，为工作面的安全高效开采提供可靠保障。

1 工作面开采条件

试验工作面位于王庄井田81采区，开采煤层为二叠系山西组3#煤，煤层底板标高377 ～522 m，平均煤厚6.6 m，煤层倾角2～12°，可采储量约1 200万t，采用综放开采工艺。该区段煤层整体呈东北向西倾斜的单斜构造，直接顶为粉砂岩，老顶为细粒砂岩，上覆覆岩岩性为中-硬型，第四系松散层厚度为109.35～203.93 m，平均厚度为149.53 m，据坑透CT成像分析，工作面内发育小断层、陷落柱等地质构造和局部煤层破碎现象。工作面推进方向1 600 m处上方地面有新208国道、国道超限检测站(在建)、通信线路及铁塔等建(构)筑物，单一工作面压煤量约为240万t，严重影响了井下工作面的生产衔接和安全高效开采。

  

图1 试验工作面布置图

2 地表沉陷控制理论及充填设计原理

2.1 基于岩层移动与控制的关键层理论

关键层理论阐述了覆岩中厚—坚硬岩层的破断失稳特征及对覆岩移动的影响机制。理论认为，在煤层开采造成的上覆岩层破坏过程中，对其上部岩层起控制作用的岩层称为亚关键层，对其上直至地表全部岩层起控制作用的岩层称为主关键层，亚关键层可以存在多层，而主关键层只有一层。采动覆岩离层主要出现在各关键层下，且离层的最大发育高度止于主关键层下。

关键层下离层量的大小与煤层采高、冒落岩体碎胀特性、关键层距煤层顶板高度及关键层自身承载表型特性相关。关键层的运动对采动覆岩离层的形成、发展和时空分布起控制作用：(1)在关键层初次破断前，关键层下方的离层量随工作面的推进不断增大，最大离层位于采空区中部；(2)当亚关键层发生初次破断后，该层位下的部分离层空间将会向上传递并主要位于上一层亚关键层下方；(3)随工作面推进已发生过初次破断的亚关键层下方只在采空区周围保存部分离层空间，主要离层空间位于未发生初次破断的亚关键层下方；(4)直至工作面继续推进至该层关键层破断，离层空间继续向上传递，当主关键层发生破断，离层空间将传递至地表形成地表沉陷，见图2。所以控制上覆岩层中的主关键层不发生破断，是确保地表不发生沉降的关键。

  

图2 主关键层破断前后覆岩运动特征

2.2 采煤塌陷关键层控制设计原理

贴梗海棠（Chaenameles speciosa.）属蔷薇科木瓜属植物，原产于中国，为温带树种，分布于陕西、甘肃、四川、贵州、云南、广东等地，全国各地均有栽培，也叫铁杆海棠、铁角海棠、铁角梨[1-3]，缅甸、日本、朝鲜也有分布。其花色红黄杂揉，相映成趣，其花朵鲜润丰腴、绚烂耀目，果实大，香气浓，深受人们喜爱，不仅是美化园林、绿化环境的重要花木，更是优良的花果类盆景树种。果实营养价值和药用价值很高，可与猕猴桃媲美，以“百益之果”著称，是药食兼用食品，具有舒筋活络、化湿、顺气、止痛的功效，并能解酒去痰，煨食止痢。

依据关键层理论，采煤塌陷关键层控制设计的根本在于采用采动覆岩离层注浆技术控制上覆岩层的主关键层或目标亚关键层不发生破断[7-10]。基本原理如下：通过设计合理的工作面采宽使主关键层或目标关键层初采期稳定。合理留设一定宽度的区段隔离煤柱，控制相邻工作面覆岩移动使之处于非充分采动状态，通过地面钻孔对采动覆岩离层区进行注浆充填，在采空区中部范围形成一定宽度的注浆充填压实承载区，并保持主关键层或目标关键层的稳定，形成覆岩关键层结构—充填压实承载层—区段隔离煤柱复合支撑结构对地表进行控制，从而实现采空区地表塌陷的有效控制。

  

图2 离层注浆设计原理示意图

3 工作面充填参数理论计算

注浆压力p注应不小于注浆充填层位以上地层的自然压力p地，又不大于注浆充填层位到回采工作面的岩层隔水压力p隔，以妥善处理好稳定地表和井下防溃浆之间的关系。其基本原理是为了控制上覆关键层的下沉，注浆压力必须大于覆岩自重力。

图3给出了m取值为3～8时在不同误比特率下完成识别所需的数据量.可以看出，在相同数据量下，m越小，误码适应能力越好；在相同误比特率下，m越小，识别所需数据量越小.

3.1 注浆时机研究

在进行注浆充填试验时，试验工作面已经回采500 m左右，采空区已经发生塌陷和地表沉陷，所以该工作面地表塌陷控制属于非固定边界，即采动边界条件下的控制。根据覆岩中离层区的发育分布规律以及采动边界条件下主关键层稳定控制的要求，应提前将主关键层下数个亚关键层下的离层充填密实，即工作面超前支撑压力峰值区时开始实施注浆，根据已有实测资料数据，工作面超前支撑压力峰值距工作面10 m左右，所以工作面注浆时机应在工作面前方10 m。

3.2 注浆层位选择

在实际施工中，通过控制注浆充填钻孔上口的注浆压力p孔来实现地表沉降的控制，计算方法如下：

p隔>p注≥p地

一铵国内市场高位盘整，出厂报价受成本支撑，仍处高位，价格暂无下滑风险。二铵方面，秋季节市场需求释放，出口市场较为稳定，内销市场仍在加大，估计后期冬储市场价格仍会有所上扬。

(1)

总之，在数学课堂教学中，要提高学生在40分钟内的学习效率，提高自身的教学质量，我们就应该充分做到备教材、备教法，提高自身的教学能力，发挥自身的主导。

冒落带高度计算：Hm=(2-3)M

(2)

依据试验工作面实际情况，最终确定垮落裂缝带发育高度为158.4 m。注浆时为了防止离层区与垮落裂缝带之间贯通，需要留设5倍煤层采高(5×6.6 m=33 m)作为维护带厚度，则离层注浆层位在距煤层178.2 m以上。据此，初次注浆层位在主关键层下第一亚关键层下方离层区内，距煤层高度189.55 m，后续注浆孔的注浆层位在主关键层下第一亚关键层下方离层区内，距煤层高度203.75 m。

3.3 注浆充填压力确定

离层注浆减沉技术的关键在于准确把握和控制工作面充填过程中离层注浆的各项参数，即准确判断关键层所处层位及其与煤层之间的位置关系，选择合适的注浆时机和注浆层位，科学合理的布设注浆孔，保证充足的注浆充填材料和合理的注浆充填压力等。

裂隙带高度计算：Hli=20.2 M+10

(3)

采动覆岩离层区注浆的层位在关键层以下的离层区内，且在发育形成的垮落裂缝带之上，因此，注浆层位的选择首先应确定采空区上覆岩层两带发育范围。垮落裂缝带发育高度计算以理论方法和实测计算法进行对比获取，为了获取准确的垮落裂缝带发育高度数据，选用了多种方法获取两带高度Hli=max(Hli1,Hli2,…Hlin)，并且根据工作面实际覆岩情况优化对比，最终选择了王庄煤矿实测垮落裂缝带计算方法，计算公式如下：

p孔=p注-H1γ1≥p地-H1γ1=H1(γ-γ1)

(4)

式中，H1为地表到注浆充填层位的孔深，m；γ为注浆充填层以上地层的综合比重，kN/m3；γ1为充填浆液的比重，kN/m3。通过计算，注浆孔孔口压力在3.1～6 MPa。

(Ⅲ)因四边形AMCD为平行四边形，故它的对角线MD平分AC，从而可知MD过△AMC的重心W，因此直线DG过点W.

4 充填效果

利用开采沉陷数值模拟方法分别对试验工作面充填和未充填地表沉陷进行预测和模拟，以此检验离层注浆技术对地表下沉的控制效果，模拟结果见图3和图4，有图可知：(1)在未充填条件下地表最大下沉值5 320 mm，最大水平移动265 mm/m，最大水平变形10.7 mm/m，倾斜52.7 mm/m，最大曲率4.22×10-3/m；(2)采用注浆充填技术充填后地表最大下沉值212 mm，最大水平移动14.4 mm/m，最大水平变形1.4 mm/m，最大倾斜2.36 mm/m，最大曲率0.19×10-3/m。通过对比可见利用离层区注浆充填显著减少了地表变形，根据“三下”采煤规程中对建筑物的破坏(保护)等级分类，工作面回采充填后地表建筑物的损毁程度控制在Ⅰ级范围内。

  

图3 未注浆地表下沉量

  

图4 注浆后地表下沉量

5 结 论

利用覆岩离层注浆技术对试验工作面进行注浆充填，人为的干预采空区上覆岩层的活动行为，实现采空区的有效控制。该技术做到了煤和注浆的时空置换，最大限度的解放了建(构)筑物下压煤，实现了工作面的连续回采，减轻了采煤对生态环境的破坏和影响。该技术的成功实施，可为王庄井田以及潞安矿区类似条件下煤层开采提供有益的经验。

参考文献:

[1] 钱鸣高，缪协兴，许家林. 岩层控制中的关键层理论研究[J]. 煤炭学报，1996，21(3)：225-230.

[2] 钱鸣高，许家林. 覆岩采动裂隙分布的“O”形圈特征研究[J]. 煤炭学报，1998，23(5)：466-469.

[3] 许家林，王晓振，刘文涛，等. 覆岩主关键层位置对导水裂缝带高度的影响[J]. 岩石力学与工程学报，2009,28(2)：380-385.

[4] 姜德义，蒋再文，刘新荣，等. 覆岩离层注浆控制沉降技术及计算模型[J]. 重庆大学学报(自然科学版)，2000，23(3)：54-57.

[5] 刘玉成，曹树刚，刘延保. 可描述地表沉陷动态过程的实践函数模型探讨[J]. 岩土力学，2010，31(3)：925-931.

[6] 刘玉成，曹树刚. 基于关键层理论的地表下沉盆地模型初探[J]. 岩土力学，2012，33(3)：719-724.

[7] 张建全，廖国华. 覆岩离层产生的机理及离层计算方法的探讨[J]. 地下空间，2001，12(5)：407-413.

[8] 孙卫华，朱伟，郑祥本. 覆岩离层注浆减沉技术的应用与发展现状[J]. 煤炭技术，2008，27(2)：81-83.

[9] 王志强，郭晓菲，高运，等. 华丰煤矿覆岩离层注浆减沉技术研究[J]. 岩土力学与工程学报，2014，33(S1)：3249-3255.

[10] 许家林，钱鸣高. 覆岩关键层位置的判别方法[J]. 中国矿业大学学报，2000，29(5):463-467.