注漿加固深度對底板巖層變形影響分析

李見波，尹尚先，3，王 鋼

(1.華北科技學院 安全工程學院，河北 三河 065201；2.鄂爾多斯市國源礦業開發有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300；3.華北科技學院 河北省礦井災害防治重點實驗室，河北 三河 065201)

在近奧灰承壓含水層和薄隔水層條件下開采煤層時需進行注漿加固防治突水，為研究加固深度對底板巖層變形破壞的影響以便更好地服務注漿設計，開展了加固深度對底板巖體變形影響研究。許多礦井需要帶壓開采。帶壓開采時，常采用注漿加固保障安全，能夠保障礦井的正常生產。底板巖體變形破壞和巖層加固方面的成果很多。在底板巖體破壞和隔水層方面，如“下三帶”理論[1，2]、原位張裂與零位破壞理論[3]、采場底板突水的KS理論[4]等。針對注漿加固后工作面突水，許延春等[5，6]分析巖層孔隙-裂隙升降型變化規律，研究了注漿加固與突水的關系。在注漿加固灰巖含水層方面，邯邢礦區構建了煤層底板奧灰水害地層結構模式，實現在奧灰頂面以下40～60m進行超前區域探查治理[7-9]；董書寧等[10，11]分析了奧灰頂部相對隔水段的成因，并對華北型煤田底板破壞深度與奧灰頂部的利用與改造等進行研究。施龍青等[12]研究奧灰頂部注漿改造最佳深度，并在肥城某礦奧灰頂部進行了注漿加固工程。趙慶彪等[13-16]開展水平孔中漿液擴散機制研究，對奧灰含水層頂部進行注漿改造。武強等[17]針對中奧陶統灰巖頂部的古風化殼開展了一系列研究。本文針對煤層距奧灰近的地質條件，以傳統的底板巖體“三帶”理論為基礎，構建采動下底板巖層變形模型，分析注漿加固深度對不同層位巖層的加固作用機制，通過數值計算分析注漿加固深度對底板巖層變形破壞的影響機制。

1 研究背景

研究區主采煤層厚度20m以上，距奧灰近、隔水層薄威脅礦井安全生產。奧陶系巖溶裂隙水距開采煤層底板的厚度約48m，煤層開采后底板破壞深度大，中間隔水層薄。礦井安全生產面臨很大威脅。而且，在巖溶通道發育區域，深部承壓水存在突水的危險性，這些典型問題給開采帶來很大的困難，需要研究采取注漿加固工程開展好防治水工作，保障礦井生產安全。為了研究加固設計，開展加固深度對底板變形破壞的影響分析。

底板巖層結構簡單，煤層底板賦存奧灰含水層，奧灰頂部風化。煤層與奧灰之間的巖層主要為砂巖、泥巖或砂質泥巖。煤層開采后，直接底板巖層發生破壞，中間巖層發生變形或者破壞，深部應力場受到擾動。

2 注漿加固層位及其作用機制

2.1 注漿加固層位選擇

底板破壞深度是注漿加固工程的重要指導參數，國內煤礦底板注漿加固工程均以該參量為指導。突水危險性和注漿工程成本是底板防治水工程的兩個重要因素。注漿加固層位(深度)的確定也是非常重要的因素。近奧灰含水層的煤層底板破壞考慮因素較多，在注漿加固時需要考慮多方面的因素。不同注漿加固層位如圖1所示(預注漿加固，加固前底板未破壞)。

圖1 注漿加固設計

2.2 加固深度對底板巖層影響機制分析

按照復合材料的彈模的“混合律”[18-20]，注漿加固可增強了底板巖層的強度。注漿后的漿液加固混合體由巖石和漿液等共同組成，形成一種新型的復合巖體材料。加固混合體的彈性模量為：

E=E0(I-D)+ErD·η(1)

據式(1)，在考慮孔隙比D時，加固混合體彈性模量增大，增加量為ErDη，巖體強度得到提升。

加固深度小于理論底板破壞深度。由庫倫定律公式τ=σtanφ+c。當應力場(σ)不變時，注漿加固后，內摩擦角和粘結力增大，底板巖體能夠承受更大力，破壞時剪切力需要增加。內摩擦角是底板破壞深度的重要參數。注漿加固增強內摩擦角φ和黏結力c，增大巖體的抗剪強度(τ=σtanφ+c)，使得底板破壞深度減小。

中間巖層加固機制。中間巖層作為防治水的關鍵巖層，注漿加固很有必要。選取中間巖層進行分析。假設兩端為固定端約束，底部為分布力約束。忽略中間巖層上方的破壞巖體自重力影響，中間巖層的概化模型符合梁彎曲模型，如圖2所示。

圖2 中間巖層受力分析

兩端固定的梁在側載作用下的撓度控制方程w=f(x，l，EI，qm，lq)，E為楊氏模量，l為梁的長度，qm為特征分布載荷，I為截面矩，lm為分布特征的長度。當l、qm、x和lm固定，E是梁彎曲的重要參量。

在縱向界面內，應力σ與彎矩M的關系滿足：σ=Ey′/ρ=My′/Iz。當應力σ大于巖梁的許用應力[σ]時(σ>[σ])，巖梁發生塑性破壞。

中間巖層主要作用是抵抗由于煤炭開采應力解除而發生的巖體彎曲變形。按照兩端固支梁的基本理論，σ=Ey/ρ=My/Iz，梁中性面上(y>0)、下(y<0)應力方向不同。加固后增強了自身巖層的抗彎強度，減小了裂紋彎拉破壞的可能性，從而降低突水的危險性。

2.3 奧灰加固作用機制

加固頂部風化巖層時，奧灰頂部風化巖層加固后強度增加，隔水性能增強，使得水流不能輕易穿過巖層而直接影響中間巖層。若加固效果理想，彈性模量恢復很好。同樣發生彎曲變形的條件下，中間巖層與奧灰頂部風化巖層(加固后)之間會產生垂向裂隙。兩端固支受分布荷載的中間巖層，變為兩端固支無荷載梁。注漿使得彈性模量增大，抗彎性能增強。加固到裂隙奧灰含水層時，奧灰巖層強度高，裂隙發育不均，從加固效果方面考慮，奧灰裂隙發育處(如斷層破碎帶等)，注漿效果好，能夠很好地封堵承壓水，從水源上防止水害發生。注漿過程中一定要固好套管，高壓固管或者使用多級套管。

3 加固深度對底板巖層變形影響數值分析

3.1 模型邊界條件

研究區開采工作面應力邊界如圖4所示。工作面埋深約350m，參考鄰近酸刺溝煤礦(準格爾煤田南部)地應力測試工作[21]，存在一種σHV型地應力場(σh>σV>σh)，σh最大7.94MPa，最小為6.70MPa。

n為開采方向所在平面的外法線，其與主應力方向夾角為α，則模型邊界的正應力σ′和切應力τ分別為：

代入數據，求得應力邊界為：正應力σ′=7.94MPa，σ″=7.32MPa，切應力τ=1.07MPa。

數值模型設計三種數值模擬方案，分別為底板不加固、加固深度14m和加固奧灰頂部風化巖層。通過改變加固層巖性參數來控制加固效果。模型中選用的頂底板巖層力學參數見表1[22]。

表1 頂底板巖體力學參數

3.2 巖層破壞特征

近奧灰特厚煤層開采的底板破壞形態如圖3所示。由圖3可知，底板巖層破壞包括兩部分：底板破壞區和風化巖層為中心的破壞區。風化巖層受擾動容易破壞，而且破壞區會向上方發育。工作面開挖250m時，不加固、加固深度14m和理想加固奧灰頂部風化層三種條件下的底板破壞形態不同，未進行注漿加固時，底板巖層或被拉破壞或被剪破壞，風化巖層上方巖層全部有破壞區存在；加固奧灰頂部時，風化巖層阻抗應力擾動能力提升，底板破壞區明顯縮小，且破碎程度降低。加固深度14m時，注漿作用也比較明顯，底板破壞區以外的相對完整巖層約6m。注漿加固的效果理想，能夠通過控制底板變形減小底板巖體的破壞范圍，從而提升了巖體抵抗下方承壓水的能力。

圖3 不同圍巖加固條件塑性破壞區形態

3.3 監測點位移變化

沿著工作面推進方向布置測線，距開切眼100m處為5號測線，在垂直方向每條測線布置12個測點，51#—56#測點布置風化巖層上方巖層中，59#—512#測點布置風化巖層下方巖層中，57#和58#兩個測點布置在風化巖層中。選取一條測線進行分析，各監測點位移曲線如圖4所示。

圖4 三種條件下5號測線監測點垂向位移曲線

1)監測點位移曲線：①三段型和兩段型位移曲線。工作面推采250m時，奧灰頂部巖層風化且加固深度小于風化巖層深度，垂向上監測點位移曲線存在2個明顯的突變點56#和59#，將位移曲線分為三段，分別對應直接底板、奧灰頂部風化巖層和奧灰巖層。奧灰頂部風化巖層加固理想時，位移曲線分為兩段：51#—56#和57#—512#。②加固深度對底板位移影響。以57#點為例，不加固時，57#位移值0.137m；加固14m時，57#位移值0.127m；加固奧灰頂部風化巖層，57#位移值0.014m；若加固深度不斷增加，對應的曲線形態會從不加固條件逐漸向左移動，最終達到加固到奧灰時曲線形態，位移曲線形態由三段型向兩段型轉變，加固深度曲線如圖5所示。

圖5 三種條件下監測點全程位移變化曲線

2)監測點全程位移曲線。5號測線布置在距離開切眼100m處，在垂直方向共布置12個監測點，采集監測點依次經歷工作面開采前、開采中和開采后三個時段的全程位移值，得到完整位移變化曲線。

根據監測點位移值大小，不加固底板巖體和加固深度14m時，12個測點的監測位移曲線分為三類：51#至56#、57#至58#和59#至512#，分別對應直接底板巖層、奧灰頂部風化巖層和奧灰層。加固奧灰頂部風化巖層時，12個測點的監測位移曲線分為兩類：51#至56#和57#至512#。由于奧灰頂部風化巖層加固理想，風化巖層和奧灰巖層內監測點位移相近，同屬于III型。加固深度不斷增加，12個測點的全程位移曲線形態由III型向II型轉變。比較三種加固條件的位移值。不加固時，位移最大值0.223m；加固深度14m時，位移最大值0.209m，位移減小6.2%；加固奧灰頂部風化巖層時，位移最大值0.045m。

4 結 論

1)加固深度較小時，注漿加固增強內摩擦角φ和黏結力c，增大巖體的抗剪強度(τ=σtanφ+c)，使得底板破壞深度減小。中間巖層加固后增強了自身巖層的抗彎強度，減小了裂紋彎拉破壞的可能性，從而降低突水的危險性。加固奧灰裂隙含水層時，奧灰巖層強度高，裂隙發育不均，在奧灰裂隙發育處(如斷層破碎帶等)，注漿效果好，能夠起到很好的封堵承壓水效果。

2)得到了監測點開采前、開采中和開采后的位移全程曲線。位移全程曲線分為三段型和兩段型。隨加固深度不斷增加，三段型向兩段型轉變。給定邊界和初始條件，底板不加固時，位移最大值0.223m；加固深度14m時，位移最大值0.209m，位移減小6.2%；加固奧灰頂部風化巖層時，位移最大值0.045m，加固深度是影響底板變形重要因素。