离层注浆技术在冲击地压防治中的应用

朱学军，魏中举，赵铁鹏

(山东科技大学资源与环境工程学院，山东 青岛 266510)

地下煤炭的开采，使得采场上覆岩体破断、离层、移动及变形运动最终达到地表沉陷，致使诸如冲击地压、顶板事故、地表建(构)筑物损害等煤矿事故不断发生。研究表明，在覆岩运动过程中，岩层内部离层的存在影响了地下采空体积的转移，同时由于覆岩离层空隙带的产生与发展是一个动态变化的过程，离层带会随着开采活动影响的结束而逐渐闭合，从而也就失去了减少采空体积向地表转移量的作用[1]。离层注浆技术自20世纪80年代在抚顺、新汶等矿区实施以来，取得了良好的地表减沉效果，但对在防治冲击地压等矿井动力灾害方面的影响还认识不够。本文试从防治冲击地压的角度，来探讨离层注浆技术的应用。

1 离层带的形成与冲击地压的关系

煤层开采后，原岩应力平衡状态受到破坏，应力重新分布，引起上覆岩层的移动与破断，上覆岩层形成垮落带、裂缝带和弯曲带等“三带”。在该过程中，覆岩中随岩层下沉的岩层之间出现沿层面的离层裂隙。一般情况下，当上覆岩层中存在岩性、刚度差别较大的岩层(组)时，这种离层非常发育[2]。

华丰井田煤层倾角平均为32°，采深达1200m以上，其中4煤为主采煤层，厚约6.4m，具有强烈的冲击倾向性。上覆第三系地层分为两部分：下部为红褐色砂质黏土岩或黏土质粉砂岩，俗称“红砂岩”，厚约50m，岩性较软(f=1.4，E=(1.34～0.92)×104MPa)，遇水易崩解膨胀；上部为砾岩层，厚度在400～800m，整体性好，强度大(f=5.9，E=4.92×104MPa)。

由关键层理论判断，巨厚砾岩层为主关键层，红层为弱岩层，其岩层组合可简化为上坚硬-下软弱型[3]，为离层的发育提供了基本条件。砾岩与红层界面处，离层沿工作面推采方向上发育过程如图1所示。

图1 离层发育形态

离层空间的大小和离层的位置，不仅与煤层厚度、工作面推进速度及上覆岩层的性质和结构有关，还与采空区尺寸密切相关[4]。随着工作面继续推进，采动影响范围由煤层顶板不断向上覆岩层扩展。在覆岩裂隙带的上部，离层裂缝开始产生，并逐步扩展；随着采空区尺寸扩大到一定范围后，离层空间也扩展到最大尺寸并相对稳定一段时间。

在离层带稳定状态下，砾岩的跨度和悬空面积也将达到一个最大值，即成为板状悬空岩梁状态，此时，离层空间的四周将形成应力集中区，而砾岩内部原来的应力平衡状态逐渐被破坏。当板状砾岩层悬露面积达到一定程度后，由于砾岩自重应力的作用，使得砾岩层出现拉裂破断，砾岩层底部开始缓慢下沉，并周期性的断裂垮落，形成华丰煤矿特有的覆岩运动形式——砾岩运动。巨厚岩体的自重使砾岩体积蓄大量的弹性能，砾岩层断裂垮落对下部的煤岩体产生强烈的冲击动能，成为4煤工作面发生冲击地压的主要力源，从而引发了具有强烈的冲击倾向性4煤的冲击，突出表现在砾岩运动导致井下冲击地压现象极为严重。

随着板状或梁状砾岩的断裂，离层空间不断缩小至被压实，离层形成的集中应力也随之消失。这种现象将随着采面的推采周期性的发生，进而形成周期性的应力集中显现和4煤冲击地压频发的现象。

2 离层注浆对冲击地压的防治

通过以上分析可知，离层注浆对冲击地压的防治主要通过离层注浆对覆岩运动的控制来实现。只有有效地控制住了巨厚砾岩的运动，阻断了4煤发生冲击地压的力源，才能有效减缓工作面冲击地压发生的力度和频度。

2.1 离层注浆对覆岩运动控制的作用机理

离层注浆技术就是通过地面钻孔，用高压注浆泵，向离层空隙带内连续不断地注入水、粉煤灰等材料混合配成的浆液，使之充填离层空隙带，以支撑离层带上部较坚硬、刚度较大的岩层。通过离层注浆，可以有效地限制或减少上覆岩层的弯曲破断，抑制了地表的沉陷量、沉陷速度和沉陷范围，同时减轻因覆岩运动而引发的冲击地压的危险[5-6]。

离层注浆控制上覆岩层运动的作用机理主要体现在[7-8]：①灰体充填支撑，就是粉煤灰浆液在沉淀压实后形成的灰体起到支撑覆岩的作用。②浆体(水体)充填，就是浆液(及其中的水)在封闭的空间里是不可压缩的，能起到支撑覆岩的作用，保证覆岩长期稳定的作用。③软岩膨胀，利用较软岩层(如泥岩、砂泥岩等)中的黏土质成分遇水崩解膨胀的特性，对岩层压裂充水后崩解，体积增加，充填离层空隙，从而起到支撑覆岩的作用。实际上，离层注浆对上覆岩层的支撑控制作用不是单一机理作用的结果，而是多种机理共同起作用的结果，起到了你中有我，我中有你，相互支持，相辅相成的作用。

2.2 离层注浆钻孔布置的确定

覆岩的离层位置、离层发育程度和离层范围的精确掌控有助于确定注浆孔位置和钻孔深度，是注浆起始时间和注浆量确定的主要依据[1]，对于实施注浆充填离层带，有效控制上覆岩层运动，进而有效防治冲击地压具有重要意义。

根据理论研究、室内试验与现场经验[7,9]，注浆孔的扩散半径一般在300m左右，但考虑到实际充填效果，并经数矿现场调查得知：一般注浆半径多为沿煤层走向160～250 m、沿煤层倾向130～200 m。对于近水平煤系地层，离层注浆孔一般布置在沿倾斜方向的中央，沿走向方向孔距为300～500m；对于倾角较大的煤系地层，钻孔应布置在采区偏上山方向且预测离层发育高度最大的位置，沿走向方向孔距为200～400m，注浆时浆液就会先充填下山部分离层空间，进而充填盆地中心。以1407-08工作面为例，在工作面上半部沿走向共布置三个孔，注浆半径为150～200m，考虑到工作面东边界距村庄较远，所以最东面的1#孔距1408工作面开切眼400m，1#孔和2#孔间距370m，2#和3#孔间距260m，钻孔沿倾斜方向布置在预测离层发育高度最大的位置。为了及时有效地控制砾岩运动，减少冲击地压发生的可能性及强度，同时减少村庄变形，在区段下方再施工4#孔。如图2、图3所示。

图2 注浆钻孔孔位平面布置

图3 离层注浆剖面及钻孔倾斜位置图

2.3 注浆工艺及系统

利用煤矿现有的材料和设施，首先从热电厂将粉煤灰等充填骨料运至贮灰池、粉煤灰浆池，通过管泵将灰浆输送至储浆池，然后由潜水泵把浆液排至搅拌池，同时添加一定比例的水和添加剂，由搅拌机搅拌均匀至一定浓度的浆液，在高压注浆泵的作用下，将浆液沿高压管道排至注浆孔，注入离层带中。在注浆前后均要先注水以冲洗管道，防止管道出现堵塞[1]。注浆工艺流程见图4。

图4 注浆工艺流程图
(1)贮灰池；(2)灰浆池；(3)矸石山清水池；(4)储浆池；(5)搅拌池；(6)搅拌机；(7)高压泥浆泵；(8)孔口装置；(9)注浆钻孔；(10)潜水泵；(11)清水泵；(12)压风机

在实施注浆的过程中，要严格执行操作规程，经常观测、检查注浆量和注浆孔压力的变化情况，以便随时分析、判断井下离层空隙的充填效果，随时调节输浆量和泵压。各注浆孔的孔口压力的不断变化，与覆岩离层的发育及注浆量有着密切的关系。利用孔口压力的变化，来控制注浆量的大小，可以达到采注同步的目的。通过分析2#注浆孔在工作面开采期间孔压的变化，来认识离层注浆的进度。2#孔开始注水时，孔口压力为6MPa～7MPa，该压力持续近5个月；工作面开采距注浆孔约100m后孔口压力降至4.5MPa～5.0MPa，说明孔底已有超前离层开始发育；到工作面采过钻孔60m时，孔口压力降到3.9MPa，说明离层进一步发育，应加大注浆量；当工作面采过钻孔220m时，压力降至3.1MPa，离层发育过程良好；当采面采过钻孔240m时，压力突然降至1.6MPa，说明离层已充分发育，浆液流向离层的通道突然畅通，此时需加大注浆量。

至于离层裂隙注浆范围的大小应是覆岩离层性、浆液性质、注浆压力和注浆时间等因素的函数。且离层裂缝是一个动态的延展过程，同时浆液在离层裂缝中的流动速度与浆液中颗粒的推进速度是不相同的，固体颗粒(如粉煤灰)在离层裂缝中发生沉淀时，泵动浆液仍然沿裂缝向前流动并随着裂缝向前延伸，固体颗粒亦被带入新扩展的离层裂缝区。

3 离层注浆防治冲击地压实施效果分析

从20世纪90年代以来，华丰矿连续进行了地表移动观测，取得了大量的数据。这些数据是分析注浆减沉效果和防治冲击地压的的主要依据，也为本矿地质条件下岩层与地表移动的研究提供了宝贵的资料。已经取得观测成果的四个观测站中，1405、1406、2406观测站是属于正常开采条件下的地表移动观测站，1407-08是覆岩离层注浆条件下开采的地表移动观测站。通过获得数据分析发现：

1)注浆开采与正常开采相比，水平移动系数减少了0.06，主要影响角正切值减少37%，下山外边缘地表水平变形明显减弱，下山边界沉陷范围明显缩小(缩小量达150m)；地表下沉系数降低了0.30，地表下沉得到有效遏制。1407-08工作面离层注浆后地表减少综合下沉系数率达50%以上；同时，地表下沉速度也明显降低，实测最大下沉速度比正常开采时最大下沉速度减小了42%。

2)离层注浆有效控制了上覆岩体的运动形式，极大地改善了4煤冲击地压力源的结构，大大减少了4煤工作面冲击地压的发生的次数，尤其降低了冲击地压的强度，对煤矿安全生产起到了积极作用。

结合6煤解放层的开采和冲击地压微震监控系统的应用，4煤防冲形势得到了根本性好转，杜绝了恶性冲击地压事故的发生。对比正常开采条件与离层注浆条件下的微震监测结果[10]，发现实施离层注浆后，离层空间的上覆砾岩得到充填体的支撑，砾岩层下部的断裂点大幅减少，砾岩运动较为缓和没有发生大面积的垮断，基本保持稳定状态，工作面冲击地压发生的危险性大大降低了。

4 结语

冲击地压的防治是一项综合技术措施实施的结果，在传统井下冲击地压防治的基础上，要结合矿井实际具体分析冲击地压发生的根本原因和运动机理，探讨有效防治措施，从根本上阻断灾害发生的途径。华丰煤矿多年的防冲实践也充分证明了巨厚砾岩条件下的覆岩离层空隙注浆能有效的控制离层上覆岩层的垮落运动，砾岩层底部不发生大面积断裂垮落，矿井冲击地压危害大大降低。

[1] 郭惟嘉,毛仲玉.覆岩沉陷离层及工程控制[M]. 北京: 地震出版社, 1997.

[2] 滕永海，阎振斌. 采动过程中覆岩离层发育规律的研究[J]. 煤炭学报, 1999, 24(1): 25-28.

[3] 郭惟嘉, 常西坤, 阎卫玺. 深部矿井采场上覆岩层内结构形变特征分析[J]. 煤炭科学技术, 2009, 37(12): 1-4.

[4] 王金庄, 康建荣, 吴立新. 煤矿覆岩离层注浆减缓地表沉降机理与应用探讨[J]. 中国矿业大学学报, 1999, 28(4): 331-334.

[5] 刘金海, 冯涛, 万文. 煤矿离层注浆减沉效果评价的弹性薄板法[J]. 工程力学, 2009, 26(11): 252-256.

[6] 窦林名, 许家林, 陆菜平，等. 离层注浆控制冲击矿压危险机理探讨[J]. 中国矿业大学学报, 2004, 33(2): 145-149.

[7] 郭惟嘉. 覆岩离层带注浆充填基本参数研究[J]. 煤炭学报, 2000, 25(6)： 602-606.

[8] 王素华, 高延法, 傅志亮. 煤矿覆岩离层注浆减缓地表沉降技术的应用[J]. 山东农业大学学报：自然科学版, 2006, 37(3): 453-457.

[9] 于永春，徐方军. 采动复岩离层高压注浆减沉技术研究[J]. 煤矿开采, 2002(1): 55-57.

[10] 张宗文, 王元杰, 赵成利，等. 微震和地音综合监测在冲击地压防治中的应用[J]. 煤炭科学技术, 2011,39(1): 44-47.