急傾斜厚煤層采空區(qū)穩(wěn)定性分析及注漿治理效果評價

張志沛, 李 鋒, 張海春

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院, 西安 710054; 2.江西省勘察設(shè)計(jì)研究院, 南昌 330012)

新疆是中國急傾斜厚煤層豐富的省份之一,但是由于前些年大規(guī)模開采,留下了大量的急傾斜厚煤層采空區(qū)。隨著國家推進(jìn)新疆基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),越來越多的新改擴(kuò)工程必然會建設(shè)在這類采空區(qū)之上,因此進(jìn)行急傾斜厚煤層采空區(qū)穩(wěn)定性與注漿治理研究對于提高建筑物的安全性意義重大。

前人在煤層采空區(qū)穩(wěn)定性與注漿治理研究方面進(jìn)行了大量的工作。張沛[1]采用數(shù)值模擬和物理模擬的方法揭示了淺埋煤層下采場頂板結(jié)構(gòu)的礦壓顯現(xiàn)動態(tài)特性及其規(guī)律；侯杰[2]得到了煤層開采下傾向主斷面地表殘余移動變形預(yù)測軟件；谷拴成等[3]基于實(shí)際的工程背景結(jié)合推導(dǎo)的地表沉降預(yù)測公式,反向求取研究區(qū)淺埋煤層采空區(qū)更符合實(shí)際的地表移動參數(shù)；王正帥[4]得出了采動程度對最大殘余變形值有很大影響,基巖的采厚比可以控制殘余變形的發(fā)生時間的結(jié)論；黃永強(qiáng)[5]用FLAC3D軟件對煤層采空區(qū)復(fù)雜路基的沉降進(jìn)行了正確預(yù)測；姜立春等[6]提出基于剛架結(jié)構(gòu)模型法的煤層采空區(qū)群失穩(wěn)判據(jù)及分析方法；吳啟紅等[7]建立了煤層采空區(qū)重疊頂板穩(wěn)定性強(qiáng)度折減法,為采空區(qū)穩(wěn)定性分析提供了新途徑；張?jiān)L問等[8]用FlAC3D軟件分析了四維煤層采空區(qū)群穩(wěn)定性；彭志雄等[9]通過移動角理論與數(shù)值模擬確定了某采空區(qū)對鐵路的影響,確定了合理安全距離；趙子鋒[10]通過理論研究、現(xiàn)場勘察、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬, 分析高速公路下伏急傾斜煤層采空區(qū)路基穩(wěn)定性；賀小慶等[11]用FLAC3D軟件分析煤層采空區(qū)工作面的應(yīng)力和位移對于礦山治理有重要意義；王曉蕾等[12]系統(tǒng)地論述與分析了分析評價法、鉆孔檢查法、開挖取樣法和物探測試法四種注漿加固效果評價方法；劉富有等[13]研究表明，拱形結(jié)構(gòu)注漿與其他注漿形式的不同；岳鵬舉[14]以山西省晉城市某公路煤層采空區(qū)治理項(xiàng)目為背景,依據(jù)理論預(yù)測與數(shù)值模擬結(jié)果對采空區(qū)進(jìn)行成功的注漿充填治理。

近年來,大量學(xué)者致力于單一煤層采空區(qū)的研究工作,研究成果較為豐碩,但針對近距離急傾斜煤層采空區(qū)的研究較少，且缺乏采空區(qū)穩(wěn)定性分析及治理效果評價等綜合系統(tǒng)性研究。為此，以某近距離急傾斜厚煤層采空區(qū)為研究背景,考慮煤柱長期失穩(wěn)破壞對采空區(qū)圍巖的影響,采用FLAC3D模擬軟件進(jìn)行采空區(qū)形成模擬,分析應(yīng)力與位移特征,結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)評價模擬的符合性；其次,進(jìn)行采空區(qū)煤柱失穩(wěn)模擬,為采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)；最后,模擬采空區(qū)注漿充填治理,分析位移變化,并且結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)評價注漿治理效果。研究成果為當(dāng)?shù)仡愃萍眱A斜厚煤層采空區(qū)穩(wěn)定性分析與注漿治理提供借鑒,并且進(jìn)一步完善急傾斜厚煤層采空區(qū)研究領(lǐng)域。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)場地平緩,中溫帶半干旱大陸性氣候,夏季炎熱,冬季嚴(yán)寒,春秋氣溫升降迅速,日變化劇烈,氣溫年差較大,降水是水資源主要補(bǔ)給來源。

地層巖性由新到老分別為:①第四系上更新統(tǒng)風(fēng)成黃土:地表廣泛分布,為土黃色粉土,原狀土垂直節(jié)理發(fā)育,濕陷性較強(qiáng),具大孔隙結(jié)構(gòu),厚約4～17 m；②中更新統(tǒng)砂卵礫石:砂卵石,青灰色,稍濕～濕,稍密；礫石,灰黃色,濕～飽和狀態(tài),中密～密實(shí),骨架顆粒多呈圓形和亞圓狀；厚約1～3 m；③含煤地層:侏羅系中統(tǒng)西山窯組,由灰色、深灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤組成,厚度約為200 m。地質(zhì)構(gòu)造簡單,斷層、褶皺不發(fā)育。

圖1為研究區(qū)煤層、采空影響區(qū)及注漿孔分布。煤層埋藏淺,產(chǎn)狀為傾向北西,傾角為67°～78°,屬于急傾斜厚煤層,采用階段開采法。

該研究區(qū)20～22、28、34～36、37～39和43煤層厚度平均值分別為27.3、8.76、12.99、19.68、37.95 m,采深約60～170 m,沿煤層走向方向開采,沿煤層傾向開采投影寬度50～100 m。

圖1 煤層、采空影響區(qū)及注漿孔分布Fig.1 Distribution of coal seam, affected area and grouting hole

2 數(shù)值模型與材料參數(shù)

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況,模型表面設(shè)置為自由地面,沒有約束；四周與底部充分考慮了煤層采空區(qū)的影響范圍,進(jìn)行了固定。首先,通過ANSYS軟件建立煤層開采前的復(fù)雜數(shù)值模型；其次,利用模型轉(zhuǎn)化程序?qū)NSYS軟件建立的模型轉(zhuǎn)化為FLAC3D軟件能識別的模型文件；最后,利用有限差分FLAC3D模擬軟件讀取該模型文件,結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)值模擬。圖2為數(shù)值分析模型,該模型尺寸:長度×寬度×高度=650 m×640 m×180 m；為了提高模擬分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,根據(jù)距離采空區(qū)越遠(yuǎn)網(wǎng)格單元越稀疏的原則,確定了模型網(wǎng)格的加密區(qū)和稀疏區(qū),共3 006 581個節(jié)點(diǎn)、2 945 670個單元。

圖2 數(shù)值分析模型Fig.2 Numerical analysis model

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表1為巖土體物理力學(xué)參數(shù)。巖土體采用摩爾庫倫本構(gòu)關(guān)系及彈塑性模型,根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得到巖土體的泊松比為0.23～0.33,容重為13.4～23.5 kN/m3。

3 采空區(qū)形成過程的數(shù)值模擬分析

3.1 應(yīng)力場分析

煤層的開采使地下巖土體應(yīng)力重新分布,改變了該區(qū)域巖土體的力學(xué)性質(zhì)。圖3為煤層采空區(qū)形成后圍巖最大主應(yīng)力,圍巖形成應(yīng)力集中區(qū)與應(yīng)力卸荷區(qū),采空區(qū)角隅處圍巖應(yīng)力大于原始應(yīng)力屬于應(yīng)力集中區(qū),其他圍巖區(qū)域?qū)儆趹?yīng)力卸荷區(qū)。

20～22煤層采空區(qū)形成后,上山煤柱與上覆巖層受到指向采空區(qū)的壓力。上覆巖層偏向下山煤柱處巖石最大主應(yīng)力為-12.8 MPa,上山煤柱偏向下伏巖層處為-2.1 MPa,上覆巖層與上山煤柱交匯處為-1.7 MPa,因此初期破壞現(xiàn)象依次減弱,形成冒落帶,冒落帶周邊巖石應(yīng)力減小,形成裂隙帶；下山煤柱與下伏巖層受到指向采空區(qū)的壓力,下伏巖層偏向上山煤柱處巖石為-3.5 MPa,下山煤柱與下伏巖層交匯處為-12.8 MPa,下山煤柱偏向上覆巖層處最大主應(yīng)力為-22.6 MPa,初期破壞現(xiàn)象依次增強(qiáng)。28煤層采空區(qū)形成后,頂面埋深比20～22煤層采空區(qū)大且最大主應(yīng)力大,破壞顯著；28煤層采空區(qū)距離20～22煤層采空區(qū)遠(yuǎn)、規(guī)模很小,因此28煤層采空區(qū)的形成對20～22煤層采空區(qū)無影響,28煤層采空區(qū)圍巖應(yīng)力變化與20～22 JC監(jiān)測點(diǎn)煤層采空區(qū)圍巖類似。

圖3 采空區(qū)圍巖最大主應(yīng)力Fig.3 Maximum principal stress of surrounding rock in goaf

34～39煤層采空區(qū)形成后,其采厚比小、采高大且距離28煤層采空區(qū)近,使28煤層采空區(qū)上山煤柱和下伏巖層應(yīng)力顯著增大。34～36、37～39煤層采空區(qū)之間上部巖石偏向34～36煤層采空區(qū)角隅處應(yīng)力集中現(xiàn)象更顯著；采空區(qū)之間下部偏向37～39煤層采空區(qū)角隅處應(yīng)力集中現(xiàn)象更顯著；由于煤巖力學(xué)性質(zhì)低且采空區(qū)高度大,34～36、37～39煤層采空區(qū)上山煤柱偏向上覆巖層處破壞明顯,下山煤柱偏向下伏巖層處隆起破壞嚴(yán)重。43煤層采空區(qū)形成后,圍巖應(yīng)力變化與34～39煤層采空區(qū)變化類似。

3.2 位移場分析

隨著煤層的開采改變了地下應(yīng)力,巖石尋求平衡的過程中產(chǎn)生偏向采空區(qū)的位移。圖4為采空區(qū)形成后圍巖豎向位移圖,20～22煤層采空區(qū)形成后,頂面埋深淺、開采厚度及開采高度大,地表最大沉降量達(dá)到1.7 m；上山煤柱偏向上覆巖層區(qū)域的沉降量最大,下山煤柱偏向下伏巖層區(qū)域的隆起現(xiàn)象最強(qiáng)烈。28煤層采空區(qū)形成后,采厚比大且埋深大,對地表影響小；28煤層采空區(qū)距離20～22煤層采空區(qū)遠(yuǎn),對20～22煤層采空區(qū)圍巖影響小。

圖4 采空區(qū)圍巖豎向位移Fig.4 Vertical displacement of surrounding rock in goaf

34～36煤層采空區(qū)位于37～39煤層采空區(qū)傾向影響范圍內(nèi),地表最大沉降量可達(dá)2.3 m,37～39煤層采空區(qū)地表最大沉降量為0.8 m；兩采空區(qū)之間上部偏向37～39煤層采空區(qū)沉降較明顯,下部偏向34～36煤層采空區(qū)隆起較顯著。34～39煤層采空區(qū)距離28煤層采空區(qū)近,致使28煤層采空區(qū)圍巖沉降量增大,地表最大沉降量達(dá)到0.8 m。43煤層采空區(qū)采厚比最小且高度大,圍巖沉降量最顯著,地表最大沉降量為2.6 m且加劇了34～39煤層采空區(qū)圍巖的位移,使34～36煤層采空區(qū)地表最大沉降量為2.5 m,37～39煤層采空區(qū)地表最大沉降量為1.1 m。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料得到煤層采空區(qū)地表塌陷坑為兩個連續(xù)的近橢圓形塌陷坑,20～22、28、34～36、37～39和43煤層采空區(qū)地表最大深度分別為1.712、0.805、2.513、1.107、2.619 m。比較采空區(qū)模擬位移發(fā)現(xiàn),煤層采空區(qū)模擬的地表位移與現(xiàn)場采空區(qū)基本一致,數(shù)值模擬符合實(shí)際情況,可用于現(xiàn)場采空區(qū)穩(wěn)定性分析與注漿治理效果評價。

3.3 采空區(qū)穩(wěn)定性分析與評價

煤層采空區(qū)形成后,影響穩(wěn)定的主要因素是煤柱。煤柱在長期荷載作用下會發(fā)生蠕變現(xiàn)象,自身力學(xué)強(qiáng)度降低,產(chǎn)生失穩(wěn)破壞,影響采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性。通過FlAC3D模擬軟件進(jìn)行采空區(qū)煤柱失穩(wěn)模擬,分析地表的豎向位移,評價采空區(qū)的穩(wěn)定性。

圖5為采空區(qū)煤柱失穩(wěn)后圍巖豎向位移圖,采空區(qū)地表最大豎向位移量位于采空區(qū)的頂部；20～22、28、34～36、37～39和43煤層采空區(qū)地表最大豎向位移量分別為0.5、0.3、0.7、0.6、0.9 m。

通過分析結(jié)果看出采空區(qū)地表存在0.3～0.9 m的最大剩余沉降量,地表的剩余變形不能滿足建設(shè)工程對地基變形的要求,采空區(qū)圍巖處于失穩(wěn)狀態(tài),必須進(jìn)行治理。

圖5 采空區(qū)煤柱失穩(wěn)圍巖豎向位移Fig.5 Vertical displacement of surrounding rock after coal pillar instability in goaf

4 采空區(qū)治理效果評價

根據(jù)該急傾斜厚煤層采空區(qū)的狀況,考慮社會影響、工程造價、施工工期以及施工工藝等方面因素,并且結(jié)合以往的采空區(qū)治理工程經(jīng)驗(yàn),比較樁基礎(chǔ)方案、注漿治理方案以及強(qiáng)夯方案的優(yōu)、缺點(diǎn)后,對該采空區(qū)采用注漿充填法的治理方案。

4.1 注漿治理設(shè)計(jì)簡述

如圖1所示，研究區(qū)劃分為5個注漿治理區(qū),場地內(nèi)布設(shè)67個注漿孔,排間距取15 m,孔間距取30 m；采用水泥粉煤灰漿液,漿液中水、水泥、粉煤灰等成分應(yīng)符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,水固質(zhì)量比宜采用1∶1.3,水泥占固相的30%,并可在漿液中摻加速凝劑,速凝劑的摻量宜為水泥重量的3%～5%；注漿孔開孔孔徑≥φ130 mm,終孔孔徑≥φ91 mm,孔深為60～150 m。

4.2 注漿充填模擬分析

圖6為采空區(qū)注漿充填后巖土體豎向位移圖。在采空區(qū)注漿充填治理后,下山煤柱與下伏巖層交匯處沉降最顯著,形成近似橢圓形位移線變化,充填區(qū)采厚比越大,橢圓越扁。

煤層采空區(qū)頂部巖土體沉降過程中伴有擠壓周邊巖土體現(xiàn)象,致使周邊地表隆起,周邊地表越靠近頂部地表時隆起越明顯。地表豎向位移在-72～7.8 mm,考慮采空區(qū)的埋深、采厚比和未治理前地表最終沉降量等因素,屬于合理范圍。

圖6 采空區(qū)注漿后巖土體豎向位移Fig.6 Vertical displacement of rock-soil body after grouting treatment in goaf

4.3 現(xiàn)場監(jiān)測資料分析

綜合考慮地下巖性、地下水、采空區(qū)特征等因素確定采空區(qū)地表影響范圍,布置了如圖2所示的11 個地表監(jiān)測點(diǎn),圖7為采空區(qū)治理前、治理中和治理后地表實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)豎向位移。

圖7 采空區(qū)地表實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)豎向位移Fig.7 Vertical displacement of actual ground monitoring site in goaf

(1)2012年10月采空區(qū)注漿治理前,監(jiān)測點(diǎn)沉降顯著；位于采空區(qū)頂部監(jiān)測點(diǎn)JC03、JC07和JC10沉降下降速率大于兩側(cè)監(jiān)測點(diǎn),這與上山煤柱沉降大于上覆與下伏巖層吻合；10—12月治理過程中,采空區(qū)頂部受到漿液沿裂隙的擠壓固結(jié)作用,地表沉降速率明顯降低,監(jiān)測點(diǎn)JC03、JC07和JC10沉降速率快速減小。

(2)注漿漿液擠壓進(jìn)入采空區(qū)兩側(cè)巖土體裂隙后,兩側(cè)巖土體向上隆起。圖7(a)、圖7(b)中采空區(qū)兩側(cè)監(jiān)測點(diǎn)在10月8日具有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),治理期間表現(xiàn)為上升現(xiàn)象；由監(jiān)測點(diǎn)JC01和JC02、JC04和JC05看出,監(jiān)測點(diǎn)距離注漿核心區(qū)越近,隆起速率也越大；監(jiān)測點(diǎn)JC08至34～39煤層采空區(qū)和JC09至43煤層采空區(qū)距離相等且34～39煤層采空區(qū)下伏巖層及43煤層采空區(qū)上覆巖層淺部區(qū)域裂隙發(fā)育相近,因此34～39、43煤層采空區(qū)在注漿作用下,監(jiān)測點(diǎn)JC08和JC09隆起速率相近。

(3)采空區(qū)注漿治理后,采空區(qū)頂部地表表現(xiàn)為速率較小的沉降,如圖7(c)中監(jiān)測點(diǎn)JC03、JC07和JC10,在2013年1—3月速率降低為0 m/s趨于穩(wěn)定；采空區(qū)兩側(cè)巖土體較破碎,受水泥漿液的側(cè)向擠壓作用使兩側(cè)巖土體產(chǎn)生向上微弱隆起,監(jiān)測點(diǎn)JC01和JC02、JC04和JC05、JC08和JC09、JC06和JC11隆起速率比治理期間降低很多,截至2013年1—3月趨于穩(wěn)定。

(4)監(jiān)測點(diǎn)JC05主要受34～39煤層采空區(qū)影響,雖然與JC06都受34～39煤層采空區(qū)影響,但是比JC06距離采空區(qū)遠(yuǎn)且底部巖土體破碎程度低,因此豎向位移變化沒有JC06顯著。

4.4 注漿效果評價

為了評價該采空區(qū)注漿充填治理效果,提取采空區(qū)注漿治理后模擬及現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)最終豎向位移值,表2為現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)與模擬監(jiān)測點(diǎn)最終豎向位移統(tǒng)計(jì)。

從表2可以看出,采空區(qū)注漿治理后現(xiàn)場與模擬監(jiān)測點(diǎn)最終豎向位移差值在-2.3～8 mm范圍內(nèi),現(xiàn)場與模擬監(jiān)測點(diǎn)位移值基本吻合,該急傾斜厚煤層采空區(qū)應(yīng)用注漿充填法治理是合理的。

表2 現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)與模擬監(jiān)測點(diǎn)最終豎向位移統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistic of final vertical displacement of field monitoring points and simulated monitoring points

5 結(jié)論

(1)在應(yīng)力方面,采空區(qū)角隅處圍巖為應(yīng)力集中區(qū),其他區(qū)域圍巖為應(yīng)力卸荷區(qū)。上覆巖層偏向下山煤柱處、上山煤柱偏向下伏巖層處、上山煤柱與上覆巖層交匯處巖石集中應(yīng)力依次減小,初期破壞依次緩慢；下伏巖層偏向上山煤柱處、下山煤柱與下伏巖層交匯處、下山煤柱偏向上覆巖層處集中應(yīng)力增大,初期破壞依次劇烈。

(2)在位移方面,采空區(qū)上山煤柱偏向上覆巖層處巖石冒落與裂隙最顯著,下沉量最大；下山煤柱偏向下伏巖層處隆起破壞最明顯,隆起裂隙最發(fā)育,隆起量最大；煤層采空區(qū)形成的模擬地表位移與現(xiàn)場地表位移基本一致,數(shù)值模擬符合實(shí)際情況,可用于現(xiàn)場采空區(qū)穩(wěn)定性分析與注漿治理效果評價。

(3)煤層采空區(qū)煤柱失穩(wěn)后,地表最大剩余沉降為0.3～0.9 m,對建筑地基產(chǎn)生很大破壞,采空區(qū)圍巖處于失穩(wěn)狀態(tài),因此必須進(jìn)行治理。

(4)采空區(qū)注漿充填治理后,地表實(shí)際與模擬監(jiān)測點(diǎn)最終豎向位移差值在-2.3～8 mm范圍,兩者基本一致,當(dāng)?shù)仡愃萍眱A斜厚煤層采空區(qū)應(yīng)用注漿充填法治理是合理的。