采動覆巖離層多層位注漿地表沉陷控制技術(shù)

馬荷雯

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077)

近年來，建(構(gòu))筑物、鐵路和水體下煤炭資源開采導致的地表沉陷等環(huán)境問題日益嚴重，直接表現(xiàn)為千畝良田破壞和地表建(構(gòu))筑物的損毀[1]。在目前的煤炭綠色開采技術(shù)中，條帶開采和充填開采技術(shù)已被證實是控制地表沉陷的有效方法，地表下沉系數(shù)可以控制在0.10～0.30，煤炭采出率可達80%～90%[2-3]，且一直在國內(nèi)外煤礦中廣泛使用[4-5]。在充填開采技術(shù)中，根據(jù)充填的不同位置可分為采空區(qū)充填和覆巖注漿[6-7]。其中，覆巖注漿技術(shù)作為較新的地表沉陷控制技術(shù)，是通過地面垂直鉆孔對采動覆巖離層進行注漿，并在覆巖內(nèi)部形成充填壓實體支撐上覆巖層、控制地表沉陷[8-9]。覆巖離層注漿由于不影響井下正常開采而得到快速發(fā)展，已經(jīng)在新汶、開灤、淮北等礦區(qū)進行了現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明地表沉陷可以減小36%～65%[10-12]。然而，覆巖離層注漿充填技術(shù)具有一定的適用條件[13-14]，當實際煤層上覆巖層中不存在厚、硬巖層的情況時，采動覆巖內(nèi)部難以發(fā)育較大尺寸離層空間來滿足覆巖注漿量[6,14-15]。為此，筆者提出采動覆巖離層多層位注漿技術(shù)，建立多層位注漿離層時空演化模型，并通過現(xiàn)場試驗對無厚、硬巖層采動覆巖離層注漿的減沉效果進行驗證，以期為離層注漿減沉提供新的技術(shù)方法。

1 覆巖離層多層位注漿相似材料模擬實驗

1.1 實驗模型構(gòu)建

為對采動覆巖離層多層位注漿地表沉陷控制技術(shù)進行研究，采用自主開發(fā)研制的離層注漿系統(tǒng)(圖1a)，通過鋪設0.2 mm 厚的透明聚乙烯氣囊袋(圖1b)和微型氣泵，對采動覆巖離層發(fā)育過程和不同層位離層注漿進行模擬。實驗選取安徽省宿州市祁南煤礦首采工作面為工程背景，該工作面開采32煤層，煤層采高4 m，平均開采深度467 m，月回采距離100～150 m。32煤層頂板以泥巖、粉砂巖為主，松散層平均厚度280 m。根據(jù)相似理論，實驗選取1︰500 的幾何相似比，建立140 cm×20 cm×53 cm 的相似材料實驗模型(圖2)，模型地層和巖石物理力學參數(shù)見表1。模型頂部鋪設3 層鐵磚，施加9.45 kPa 的松散地層補償荷載。巖層間平均2 cm鋪設薄層碎云母片，防止工作面推進過程中，上覆巖體出現(xiàn)整體垮落。模型在開采煤層上覆巖層中布設3 條觀測線，對煤層開采過程上覆巖層變形情況進行監(jiān)測(圖2)。

表1 實驗采用巖石的物理力學指標Table 1 Physic-mechanical properties of overburden

圖1 多層位離層注漿實驗模擬裝置Fig.1 Device of scale model test for multi-bed separation grouting

1.2 多層位離層注漿過程

模擬工作面走向開采過程，根據(jù)模型相似比，設計采高0.8 cm，開采距離98 cm，間隔15 min 進行一次開挖，單位開采距離為7 cm，模型兩邊各預留21 cm 煤柱以消除邊界效應影響。煤層開采過程中，覆巖離層沿工作面推進和頂板方向逐漸向前向上發(fā)育。當注漿層位巖層出現(xiàn)分離時，開始離層注漿模擬實驗。

2 采動覆巖離層注漿時空演化規(guī)律

2.1 單離層注漿時空演化規(guī)律

為得出單離層注漿過程中覆巖裂隙的動態(tài)演化規(guī)律，基于分形理論對相似材料物理實驗結(jié)果進行分析[16-17]。單層離層注漿覆巖變形動態(tài)演化如圖3所示，當煤層開采至49 cm(實際245 m)時，上覆巖層出現(xiàn)一次性垮落且垮落尺寸較大，頂板出現(xiàn)巖梁鉸接結(jié)構(gòu)，上覆巖層受自身重力而變形下沉，采空區(qū)上部出現(xiàn)一定的采出空間。泥巖、粉砂巖直接頂首先垮落，并伴有覆巖裂隙，如圖3a 所示。隨著工作面推進至63 cm(實際315 m)，第6層巖層完全垮落，且其上部巖層產(chǎn)生細微裂隙(圖3b)。當工作面推進至70 cm(實際350 m)，在煤層頂板上方14 cm(實際70 m)處，下覆泥巖地層出現(xiàn)破斷，泥巖與中粒砂巖之間出現(xiàn)較大尺寸可充填離層空間。此時，離層空間正處于離層發(fā)展周期的擴展階段，離層空間尺寸持續(xù)增大，開始進行單離層注漿實驗(圖3c)。

在注漿過程中，可以清楚地看到離層下覆巖層明顯受到注漿體的擠壓，下覆巖體裂隙發(fā)育，與此同時，離層上覆地層的裂縫逐漸減小，結(jié)果表明，此時離層充填體對上方巖層起到有效的支撐作用(圖3d)。

圖3 單離層注漿覆巖裂隙動態(tài)演化Fig.3 Spatio-temporal evolution diagram of single-bed separation grouting

2.2 多離層注漿時空演化規(guī)律

隨著工作面推進，采動覆巖離層由低層位逐漸向高層位發(fā)育，相對于工作面推進速度，離層空間發(fā)育出現(xiàn)明顯的滯后性特征。為進一步分析多離層注漿對采動覆巖內(nèi)部變形的控制作用，繪制多離層注漿過程中覆巖內(nèi)部裂隙動態(tài)演化過程，如圖4所示。當工作面推進至91 cm(實際455 m)時，煤層上方基本頂斷裂，采動覆巖內(nèi)部垂直裂縫突破下部中砂巖層并繼續(xù)向上擴展，離層隨著工作面的推進逐步向上發(fā)育至距離煤層頂板16.8 cm(實際84 m)處，采空區(qū)上覆巖體內(nèi)部出現(xiàn)多處裂隙和離層空間，且高層位較大尺寸離層空間開始發(fā)育(圖4a)。當工作面繼續(xù)推進至98 cm(實際490 m)時，開始進行高層位離層注漿實驗(圖4b)。

圖4 多離層注漿覆巖裂隙動態(tài)演化Fig.4 Spatio-temporal evolution diagram of multi-bed separation grouting

根據(jù)圖4b 和圖4c 多離層注漿前后覆巖內(nèi)部裂隙演化對比，隨著高層位離層注漿實驗的進行，離層上部巖石的裂縫減小甚至消失，相反，注漿離層下覆擾動巖體進一步壓實，且注漿離層空間尺寸逐漸減小。

2.3 實驗結(jié)果分析

根據(jù)單離層注漿和多離層注漿實驗結(jié)果顯示，煤層繼續(xù)開采，覆巖變形區(qū)域面積和變形程度都逐漸增大。離層注漿可通過注漿離層下覆巖體將離層空間內(nèi)充填體載荷向下傳遞至煤層頂板，實施多層位離層注漿，注漿離層下覆巖體變形程度明顯大于單離層注漿，且煤層頂板上覆裂隙巖體的壓實程度提高。注漿開始時，注漿離層下覆巖體逐漸被壓實，相應地，注漿離層上覆巖體裂隙逐漸減小。受發(fā)育離層盤狀形態(tài)(空間)影響，離層充填呈現(xiàn)中間厚邊緣薄，注漿離層中心位置的下覆巖體受到的壓應力最大，壓實程度更高。

根據(jù)低層位注漿離層下覆巖體觀測線Ⅰ觀測數(shù)據(jù)，繪制出覆巖內(nèi)部變形三維曲線，如圖5 所示。實施單離層注漿后，注漿離層中心位置下覆巖體變形量最大，為0.489 9 m；實施多離層注漿后，注漿離層中心位置下覆巖體最大下沉量為1.237 2 m，壓實程度提高60%。對比單離層注漿效果，多離層注漿充填體提高了離層下覆破碎巖體的壓實程度，進而擴大了注漿離層空間尺寸，增加了離層注漿注采比(注入量與采出煤巖體量之比)，從而提高了注漿減沉率，達到控制地表沉陷的效果。

圖5 單離層注漿與多離層注漿效果對比Fig.5 Comparison surface subsidence of single-bed separation grouting and multi-bed separation grouting

3 多層位離層注漿充填機理

建立多層位覆巖離層注漿充填開采的等效模型，根據(jù)注漿離層下覆巖體最大壓實區(qū)域位于離層中心位置，多層位離層注漿充填效果(注采比)明顯高于單層位注漿充填離層的特性，將高層位注漿離層內(nèi)部的注漿充填體向下投影至低層位注漿離層，作為低層位離層空間內(nèi)部的虛擬擴展充填體，如圖6所示。將實際低(單)層位離層注漿充填體和(高層位注漿充填離層)虛擬擴展充填體結(jié)合，共同得出多層位離層注漿充填有效充填體積(圖6)。

圖6 多離層注漿充填等效開采模型Fig.6 Equivalent extraction model for multi-bed separation grouting

根據(jù)建立的多層位覆巖離層注漿充填開采模型可知，當壓實區(qū)擴展部分高度為0 時，表明此時上方高層位離層注漿充填率為0，注漿充填效果為單層位離層注漿充填；當壓實區(qū)擴展部分高度大于0時，離層空間的實際充填體為壓實區(qū)、非壓實區(qū)和擴展區(qū)體積之和。高層位離層注漿充填體、低層位離層注漿充填體及其間隔巖體共同形成聯(lián)合承載體，共同支撐上覆巖層。由于高層位離層與低層位離層間的覆巖巖體受采動影響，具有一定碎脹性，多層位離層注漿充填率應高于單層位離層注漿充填率，多層位離層注漿充填體協(xié)同壓實煤層頂板上覆破碎巖體，因此，地表減沉量增加。然而，受不同注漿離層之間采動巖體厚度、巖性等因素影響，實施多層位離層注漿充填對地表減沉量的增加有限。

4 采動覆巖離層多層位注漿工程案例

4.1 離層注漿方案設計

為實際探究采動覆巖多層位離層注漿對地面沉降的控制效果，選取淮北礦區(qū)祁南煤礦36 采區(qū)首采工作面進行現(xiàn)場試驗。工作面上方共設置1 條走向觀測線(觀測點編號J1—J15)和2 條傾向觀測線(觀測點編號分別為J16—J34、T1—T19)，對注漿前后地表移動變形進行監(jiān)測(圖7)。

圖7 淮北礦區(qū)祁南煤礦36 采區(qū)鉆孔位置Fig.7 Layout of injection boreholes in mining district 36 of Qinan Coal Mine in Huaibei Mining Area

為保證注漿充填安全，同時兼顧工作面的生產(chǎn)條件，應保證注漿初期注漿漿液不進入工作面，防止井下工作面發(fā)生突水事故，離層注漿鉆孔深度應與導水裂隙帶頂部之間保留10～20 m 或以上安全距離。不同層位注漿離層內(nèi)形成不同擴散半徑的離層注漿充填體，疊加共同形成復合充填體，實現(xiàn)多層位采動覆巖離層注漿(圖8)。根據(jù)注漿離層發(fā)育尺寸，綜合考慮鉆探難度和施工成本，保證采動覆巖離層注漿充填量，在村莊保護煤柱范圍的工作面增加注漿鉆孔數(shù)量。共布置注漿鉆孔6 個，其中注1、注3、注6 為主注漿孔，注2、注4、注5 為增加的輔注漿孔(圖7)，分別距離煤層頂板60、90 m，離層注漿鉆孔設計參數(shù)詳見表2。

表2 注漿鉆孔設計參數(shù)Table 2 Designed parameters of grouting boreholes

圖8 多層位離層注漿Fig.8 Schematic of grout injection into multi-bed-separation

4.2 離層注漿量預計

離層注漿漿液由骨料和溶劑配制而成，選用粉煤灰做注漿原材料，將粉煤灰摻入一定量的水制成充填用粉煤灰漿體，該灰漿體具有擴散特性強、流動半徑大的特點，可以通過較少的鉆孔數(shù)目對采動覆巖離層空間進行有效充填，在離層空間內(nèi)部固結(jié)成高強度充填體，并與離層空間上下部巖層膠結(jié)成新的飽和灰(巖)體。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，注漿漿液水灰(水泥–粉煤灰)質(zhì)量比值和體積比值分別為1.4～2.5 和1.0～1.4。

注漿區(qū)域采出空間體積為：

式中：C為煤層采出率；L為工作面斜長，m；D為工作面走向長度，m；M為采高，取4.0 m。

則預計所需要的干粉煤灰體積為：

式中：α為所要求的注采比。

為控制工作面切眼上方地表沉降，保證保護村莊處于Ⅰ級破壞以內(nèi)[18]，減沉率需達到75%。根據(jù)覆巖注漿注采比一般為0.3 進行預計[14,19]。由式(2)，工作面開采方式為綜采一次采全高，C取1。取傾向?qū)挾葹?27 m 的工作面切眼區(qū)域長度350 m，傾向?qū)挾葹?87 m 的工作面區(qū)域長度150 m(圖7)，工作面保護煤柱區(qū)域采空區(qū)面積和體積約為75 058 m2和300 230 m3(按傾角15°計算)。注漿粉煤灰取自附近電廠，粉煤灰干密度為0.95～1.15 g/cm3，一般按1 g/cm3進行估算，則預計注灰(粉煤灰干灰)量為90 069 t。圖9 為實際每月注入干灰的總量，隨著回采進行，注灰量呈現(xiàn)先遞增后遞減的趨勢，與采動覆巖離層空間發(fā)育尺寸(增加—維持—衰減)的變化趨勢一致，說明增加單位區(qū)域內(nèi)離層注漿鉆孔數(shù)目的2 倍和注漿層位，可以充分充填離層發(fā)育空間。現(xiàn)場試驗工作面實際推進540 m，注入粉煤灰干灰總量為98 912 t，注采比約為0.33，與式(2)預計結(jié)果吻合程度超過91%。

圖9 各月份注灰量統(tǒng)計Fig.9 Quantity of fly ash injected per month

5 多層位離層注漿地表沉降控制效果

為驗證實驗結(jié)論，評價注漿工程地表沉陷控制效果，在該工作面建立地表移動觀測站，累計共進行22 次地表位移觀測。根據(jù)最后一次的實際觀測結(jié)果，基于Matlab 軟件和最小二乘法分別對走向和傾向觀測線實測數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得出地表下沉系數(shù)q為0.199 8。由圖10 中可以看出，實測數(shù)據(jù)與擬合曲線的擬合程度較高，所求參數(shù)較精確。

圖10 離層注漿地表觀測實測值與擬合曲線對比Fig.10 Comparison of measured values and fitted curves of multi-bed separation grouting

基于隨機介質(zhì)理論[9,20-22]對正常采動條件下地表移動變形情況進行預計，與注漿現(xiàn)場地表觀測結(jié)果(表3)進行對比。正常開采條件下，地表最大變形達2 082 mm，實施多層位離層注漿充填后，地表最大下沉量為418 mm。根據(jù)地表保護村莊邊界最近采掘工作面地表巖移觀測站實際監(jiān)測結(jié)果，工作面切眼上方保護村莊地表最大下沉值為92 mm，村莊范圍地表變形均處于Ⅰ級變形以內(nèi)。結(jié)果表明，多層位離層注漿可以明顯提高注漿充填率(注采比)，地表減沉率可以達到79.92%，對控制采動引起的地面沉降具有明顯效果。

表3 不同開采方式地表移動變形參數(shù)Table 3 Surface deformation parameters with different mining methods

6 結(jié)論

a.在采動覆巖無厚、硬巖層發(fā)育較大尺寸離層空間條件下，提出多離層覆巖注漿充填技術(shù)，即由不同擴散半徑的多離層注漿充填體疊加，可以將載荷向下傳遞至煤層頂板，增加覆巖注漿總量和注采比，對地表沉陷進行有效控制。

b.闡明了多離層注漿充填機理，建立多離層注漿充填開采等效模型。多層位離層注漿的實際有效充填體應為壓實區(qū)、非壓實區(qū)和擴展區(qū)體積之和，不同層位的離層充填體及其間隔巖體共同形成聯(lián)合承載體支撐上覆巖體，達到減小覆巖變形和控制地表沉陷的目的。

c.多層位離層注漿下覆巖體的壓實程度較單離層注漿更高，不同層位離層充填體疊加形成的聯(lián)合承載體可以增加開采煤層上覆巖體的壓實程度，可以有效提高離層空間充填率，達到地表沉陷控制。

d.建立離層注漿量預計公式，現(xiàn)場試驗注漿漿液水灰質(zhì)量比值和體積比值分別為1.4～2.5 和1.0～1.4。推導的離層注漿量預計公式計算結(jié)果與現(xiàn)場實際注灰總量的吻合程度高于91%，可以對離層注漿現(xiàn)場工程進行設計與指導。

e.現(xiàn)場試驗多層位離層注漿注采比可達0.33，地表減沉率可達79.92%，地面保護村莊處于Ⅰ級破壞范圍以內(nèi)，對控制采動引起的地面沉降和保護地面建(構(gòu))筑物具有明顯效果，研究結(jié)果為今后覆巖注漿提供有益參考。