采動(dòng)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(tuán)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

近年來(lái)，建(構(gòu))筑物、鐵路和水體下煤炭資源開(kāi)采導(dǎo)致的地表沉陷等環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)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(kāi)采技術(shù)中，條帶開(kāi)采和充填開(kāi)采技術(shù)已被證實(shí)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(dá)80%～90%[2-3]，且一直在國(guó)內(nèi)外煤礦中廣泛使用[4-5]。在充填開(kāi)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(guò)地面垂直鉆孔對(duì)采動(dòng)覆巖離層進(jìn)行注漿，并在覆巖內(nèi)部形成充填壓實(shí)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(kāi)采而得到快速發(fā)展，已經(jīng)在新汶、開(kāi)灤、淮北等礦區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(dāng)實(shí)際煤層上覆巖層中不存在厚、硬巖層的情況時(shí)，采動(dòng)覆巖內(nèi)部難以發(fā)育較大尺寸離層空間來(lái)滿足覆巖注漿量[6,14-15]。為此，筆者提出采動(dòng)覆巖離層多層位注漿技術(shù)，建立多層位注漿離層時(shí)空演化模型，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)無(wú)厚、硬巖層采動(dòng)覆巖離層注漿的減沉效果進(jìn)行驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

為對(duì)采動(dòng)覆巖離層多層位注漿地表沉陷控制技術(shù)進(jìn)行研究，采用自主開(kāi)發(fā)研制的離層注漿系統(tǒng)(圖1a)，通過(guò)鋪設(shè)0.2 mm 厚的透明聚乙烯氣囊袋(圖1b)和微型氣泵，對(duì)采動(dòng)覆巖離層發(fā)育過(guò)程和不同層位離層注漿進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)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(kāi)采32煤層，煤層采高4 m，平均開(kāi)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(shí)驗(yàn)選取1︰500 的幾何相似比，建立140 cm×20 cm×53 cm 的相似材料實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖2)，模型地層和巖石物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。模型頂部鋪設(shè)3 層鐵磚，施加9.45 kPa 的松散地層補(bǔ)償荷載。巖層間平均2 cm鋪設(shè)薄層碎云母片，防止工作面推進(jìn)過(guò)程中，上覆巖體出現(xiàn)整體垮落。模型在開(kāi)采煤層上覆巖層中布設(shè)3 條觀測(cè)線，對(duì)煤層開(kāi)采過(guò)程上覆巖層變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)(圖2)。

表1 實(shí)驗(yàn)采用巖石的物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physic-mechanical properties of overburden

圖1 多層位離層注漿實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置Fig.1 Device of scale model test for multi-bed separation grouting

1.2 多層位離層注漿過(guò)程

模擬工作面走向開(kāi)采過(guò)程，根據(jù)模型相似比，設(shè)計(jì)采高0.8 cm，開(kāi)采距離98 cm，間隔15 min 進(jìn)行一次開(kāi)挖，單位開(kāi)采距離為7 cm，模型兩邊各預(yù)留21 cm 煤柱以消除邊界效應(yīng)影響。煤層開(kāi)采過(guò)程中，覆巖離層沿工作面推進(jìn)和頂板方向逐漸向前向上發(fā)育。當(dāng)注漿層位巖層出現(xiàn)分離時(shí)，開(kāi)始離層注漿模擬實(shí)驗(yàn)。

2 采動(dòng)覆巖離層注漿時(shí)空演化規(guī)律

2.1 單離層注漿時(shí)空演化規(guī)律

為得出單離層注漿過(guò)程中覆巖裂隙的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，基于分形理論對(duì)相似材料物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析[16-17]。單層離層注漿覆巖變形動(dòng)態(tài)演化如圖3所示，當(dāng)煤層開(kāi)采至49 cm(實(shí)際245 m)時(shí)，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(jìn)至63 cm(實(shí)際315 m)，第6層巖層完全垮落，且其上部巖層產(chǎn)生細(xì)微裂隙(圖3b)。當(dāng)工作面推進(jìn)至70 cm(實(shí)際350 m)，在煤層頂板上方14 cm(實(shí)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(shí)，離層空間正處于離層發(fā)展周期的擴(kuò)展階段，離層空間尺寸持續(xù)增大，開(kāi)始進(jìn)行單離層注漿實(shí)驗(yàn)(圖3c)。

在注漿過(guò)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(shí)，離層上覆地層的裂縫逐漸減小，結(jié)果表明，此時(shí)離層充填體對(duì)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(dòng)態(tài)演化Fig.3 Spatio-temporal evolution diagram of single-bed separation grouting

2.2 多離層注漿時(shí)空演化規(guī)律

隨著工作面推進(jìn)，采動(dòng)覆巖離層由低層位逐漸向高層位發(fā)育，相對(duì)于工作面推進(jìn)速度，離層空間發(fā)育出現(xiàn)明顯的滯后性特征。為進(jìn)一步分析多離層注漿對(duì)采動(dòng)覆巖內(nèi)部變形的控制作用，繪制多離層注漿過(guò)程中覆巖內(nèi)部裂隙動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，如圖4所示。當(dāng)工作面推進(jìn)至91 cm(實(shí)際455 m)時(shí)，煤層上方基本頂斷裂，采動(dòng)覆巖內(nèi)部垂直裂縫突破下部中砂巖層并繼續(xù)向上擴(kuò)展，離層隨著工作面的推進(jìn)逐步向上發(fā)育至距離煤層頂板16.8 cm(實(shí)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(kāi)始發(fā)育(圖4a)。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至98 cm(實(shí)際490 m)時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行高層位離層注漿實(shí)驗(yàn)(圖4b)。

圖4 多離層注漿覆巖裂隙動(dòng)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(duì)比，隨著高層位離層注漿實(shí)驗(yàn)的進(jìn)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(dòng)巖體進(jìn)一步壓實(shí)，且注漿離層空間尺寸逐漸減小。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)單離層注漿和多離層注漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，煤層繼續(xù)開(kāi)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(guò)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(shí)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(shí)程度提高。注漿開(kāi)始時(shí)，注漿離層下覆巖體逐漸被壓實(shí)，相應(yīng)地，注漿離層上覆巖體裂隙逐漸減小。受發(fā)育離層盤(pán)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(yīng)力最大，壓實(shí)程度更高。

根據(jù)低層位注漿離層下覆巖體觀測(cè)線Ⅰ觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出覆巖內(nèi)部變形三維曲線，如圖5 所示。實(shí)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(shí)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(shí)程度提高60%。對(duì)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(shí)程度，進(jìn)而擴(kuò)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(dá)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(duì)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(jī)理

建立多層位覆巖離層注漿充填開(kāi)采的等效模型，根據(jù)注漿離層下覆巖體最大壓實(shí)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(kuò)展充填體，如圖6所示。將實(shí)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(kuò)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(kāi)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(kāi)采模型可知，當(dāng)壓實(shí)區(qū)擴(kuò)展部分高度為0 時(shí)，表明此時(shí)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(dāng)壓實(shí)區(qū)擴(kuò)展部分高度大于0時(shí)，離層空間的實(shí)際充填體為壓實(shí)區(qū)、非壓實(shí)區(qū)和擴(kuò)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(dòng)影響，具有一定碎脹性，多層位離層注漿充填率應(yīng)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(shí)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(dòng)巖體厚度、巖性等因素影響，實(shí)施多層位離層注漿充填對(duì)地表減沉量的增加有限。

4 采動(dòng)覆巖離層多層位注漿工程案例

4.1 離層注漿方案設(shè)計(jì)

為實(shí)際探究采動(dòng)覆巖多層位離層注漿對(duì)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。工作面上方共設(shè)置1 條走向觀測(cè)線(觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)J1—J15)和2 條傾向觀測(cè)線(觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)分別為J16—J34、T1—T19)，對(duì)注漿前后地表移動(dòng)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)(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(shí)兼顧工作面的生產(chǎn)條件，應(yīng)保證注漿初期注漿漿液不進(jìn)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(yīng)與導(dǎo)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(kuò)散半徑的離層注漿充填體，疊加共同形成復(fù)合充填體，實(shí)現(xiàn)多層位采動(dòng)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(dòng)覆巖離層注漿充填量，在村莊保護(hù)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(gè)，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(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 注漿鉆孔設(shè)計(jì)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(yù)計(jì)

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(kuò)散特性強(qiáng)、流動(dòng)半徑大的特點(diǎn)，可以通過(guò)較少的鉆孔數(shù)目對(duì)采動(dòng)覆巖離層空間進(jìn)行有效充填，在離層空間內(nèi)部固結(jié)成高強(qiáng)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(chǎng)試驗(yàn)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(zhǎng)，m；D為工作面走向長(zhǎng)度，m；M為采高，取4.0 m。

則預(yù)計(jì)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(hù)村莊處于Ⅰ級(jí)破壞以內(nèi)[18]，減沉率需達(dá)到75%。根據(jù)覆巖注漿注采比一般為0.3 進(jìn)行預(yù)計(jì)[14,19]。由式(2)，工作面開(kāi)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(zhǎng)度350 m，傾向?qū)挾葹?87 m 的工作面區(qū)域長(zhǎng)度150 m(圖7)，工作面保護(hù)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(jì)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(jìn)行估算，則預(yù)計(jì)注灰(粉煤灰干灰)量為90 069 t。圖9 為實(shí)際每月注入干灰的總量，隨著回采進(jìn)行，注灰量呈現(xiàn)先遞增后遞減的趨勢(shì)，與采動(dòng)覆巖離層空間發(fā)育尺寸(增加—維持—衰減)的變化趨勢(shì)一致，說(shuō)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(chǎng)試驗(yàn)工作面實(shí)際推進(jìn)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(yù)計(jì)結(jié)果吻合程度超過(guò)91%。

圖9 各月份注灰量統(tǒng)計(jì)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論，評(píng)價(jià)注漿工程地表沉陷控制效果，在該工作面建立地表移動(dòng)觀測(cè)站，累計(jì)共進(jìn)行22 次地表位移觀測(cè)。根據(jù)最后一次的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，基于Matlab 軟件和最小二乘法分別對(duì)走向和傾向觀測(cè)線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)測(cè)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(cè)實(shí)測(cè)值與擬合曲線對(duì)比Fig.10 Comparison of measured values and fitted curves of multi-bed separation grouting

基于隨機(jī)介質(zhì)理論[9,20-22]對(duì)正常采動(dòng)條件下地表移動(dòng)變形情況進(jìn)行預(yù)計(jì)，與注漿現(xiàn)場(chǎng)地表觀測(cè)結(jié)果(表3)進(jìn)行對(duì)比。正常開(kāi)采條件下，地表最大變形達(dá)2 082 mm，實(shí)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(hù)村莊邊界最近采掘工作面地表巖移觀測(cè)站實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，工作面切眼上方保護(hù)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(jí)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(dá)到79.92%，對(duì)控制采動(dòng)引起的地面沉降具有明顯效果。

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

6 結(jié)論

a.在采動(dòng)覆巖無(wú)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(kuò)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(duì)地表沉陷進(jìn)行有效控制。

b.闡明了多離層注漿充填機(jī)理，建立多離層注漿充填開(kāi)采等效模型。多層位離層注漿的實(shí)際有效充填體應(yīng)為壓實(shí)區(qū)、非壓實(shí)區(qū)和擴(kuò)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(dá)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(shí)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(kāi)采煤層上覆巖體的壓實(shí)程度，可以有效提高離層空間充填率，達(dá)到地表沉陷控制。

d.建立離層注漿量預(yù)計(jì)公式，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(dǎo)的離層注漿量預(yù)計(jì)公式計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注灰總量的吻合程度高于91%，可以對(duì)離層注漿現(xiàn)場(chǎng)工程進(jìn)行設(shè)計(jì)與指導(dǎo)。

e.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)多層位離層注漿注采比可達(dá)0.33，地表減沉率可達(dá)79.92%，地面保護(hù)村莊處于Ⅰ級(jí)破壞范圍以內(nèi)，對(duì)控制采動(dòng)引起的地面沉降和保護(hù)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。