采空区高掺量粉煤灰水泥注浆流场分布规律研究

邹友平

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京100013)

青年论坛

采空区高掺量粉煤灰水泥注浆流场分布规律研究

邹友平1，2

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京100013；2.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京100013)

以实验室相似模拟试验和理论分析为主要研究手段，对采空区的二次失稳致因与注浆流场分布规律进行了系统的分析与研究。研究结果表明：采用确定的配比制得的注浆浆液基本符合宾汉姆流体标准；垮落带破裂岩体的“二次失稳”特征是在外部荷载作用下的压密和位移；断裂带岩体的“二次失稳”特征主要是岩块结构失稳和离层空间的闭合；弯曲带岩体的“二次失稳”特征表现为在上覆压应力和外部荷载作用下的离层裂缝压密；垮落带和断裂带是导致覆岩二次移动、采空区结构二次失稳的主要根源；采空区垮落区范围内的注浆渗流迹线分布呈现“脊椎式”；堆积区范围内的注浆渗流迹线分布呈现“絮网式”；根据对浆液流动迹线的分析，提出了2种注浆引起的固相颗粒扩散的理论模型。

采空区；高掺量粉煤灰水泥浆；流场分布

据不完全统计，我国采煤沉陷区面积已超过8×105hm2，且仍以200km2/a的速度不断扩大。矿区的工程建设难以回避采空区的影响，为了保证采空区上部建(构)筑物安全必须对采空区进行处理。因此，有关开采沉陷区域的治理问题引起了各方的高度关注，并成为业界研究的难点和热点[1-3]。

目前，对于采空区的治理主要采取压力注浆法、井下回填法和开挖回填法。压力注浆法是通过人工制造压力方法，将具有胶结性能的浆液材料注入地基土颗粒的空隙、土层界面或岩层空隙；井下回填法是利用矸石、灰岩或砂岩等片石材料，通过人工回填砌筑于采矿后形成的空洞并利用其支撑作用确保采空区上覆岩层的稳定；开挖回填法是对建筑场地下的采空区先开挖至采空区(空洞)部位，然后采用灰土回填方法。与之相关的研究工作也开展较多且成果丰硕，但这些研究多以牛顿流体浆液为主，没有考虑时间变化对浆液性质的影响和采空区形态分布特点等。因此，以高掺量粉煤灰水泥为注浆材料，研究注浆时的流场分布规律与加固效应，具有较强的理论意义和实用价值。

1 模拟研究方案

1.1 物理模型的建立

以安泰煤业坑口选煤厂下采空区注浆工程为工程背景进行模拟研究，该采空区为原刘家山煤业公司于2003—2005年开采形成，主采8号煤层，煤层倾角平均为4.8°，平均采深为52m，平均可采厚度为3.0m，直接顶为泥岩、砂岩互层。选择沙子、CaCO3、石膏和水作为相似材料，按配比模拟构建煤岩层。模型主要是沿水平方向分层铺设捣实，每个分层之间通过均匀播撒云母粉来模拟岩层的层面和节理裂隙弱面。模型尺寸(长×宽×高)为1600mm×150mm×630mm，各主要岩层的物理力学参数见表1[4-5]。

表1 模型参数及材料配比

1.2 注浆方案

实验时采用的注浆材料为水泥粉煤灰浆液，由水、水泥、粉煤灰组成。其中，水泥∶粉煤灰为3∶7，水灰比为1∶1.2。依据实践中注浆孔的间距设置，根据相似比设置注浆钻孔间距为280～420mm，即约20～30m，初始注浆压力为0.2MPa，终止有效孔压1MPa。注浆钻孔设置如图1所示。

图1 实验模型与注浆孔设计

2 采空区注浆流场分布规律

2.1 采空区覆岩结构特征

本次实验模拟地下长壁开采，采用全部垮落法管理顶板。由于主要针对采空区注浆加固的相关内容进行研究，在本次相似模拟实验过程中有关长壁工作面采空区覆岩垮冒过程不作研究，直接给出长壁工作面开采结束30d之后采空区覆岩垮冒结果，煤层开采结束之后长壁工作面采空区及其覆岩结构特征如图2所示。

图2 煤层开采结束之后长壁工作面采空区及其覆岩结构特征

分析图2可知：

(1)岩层形成机理 采空区上覆岩层由于失去支撑基础而产生破断、垮冒，根据上覆岩层的断裂破碎特点，在采空区的竖直方向上，形成3种不同的采动影响带，自下而上依次为垮落带、断裂带、弯曲下沉带。其中，采空区垮落带由于受垮冒直接顶碎胀空间大小的影响，开始碎胀空间较大时形成的破裂岩体，即下部破裂岩体呈散体分布、上部块体分布。下部呈散体分布的矸石破碎、堆积杂乱无章，完全失去了原有层位；上部呈块体分布的矸石，块度大、块体之间空隙大、连通性好，由于受活动空间限制的影响，块度较大的岩块基本上保持原有层次。采空区断裂带岩层，由于断裂块度更大且强度较大，块体不仅保持了原有的层次，而且块体之间相互咬合形成外观上呈梁状实质为拱状的稳定砌体梁结构，形成砌体梁结构岩层之间由于运动的不协调性产生离层裂隙。

(2)顶板二次失稳方面 在采空区的横向方向上，尤其在采空区边缘由于受边缘区上覆坚硬岩层砌体梁结构和悬臂梁结构的承载作用，采空区边缘区垮落带的岩体为碎裂、散体结构，自采空区边缘至采空区中部，因受上覆岩层活动压实程度不同表现出较为明显的分区性：自由堆积区(孔隙发育区)、支承压力影响区(孔隙欠发育区)、完全压实区(孔隙不发育区)；断裂带的岩体，由于块度较大且相互咬合呈块裂层状结构，因受砌体梁结构的承载作用和各岩层位运动不协调性的影响，断裂带岩体自老采空区边缘至中部整体上也表现出分区性：边缘离层区、次边缘欠压密区、中部的压密区；弯曲下沉带的岩体由于是整体弯曲变形，基本上仍呈较完整的层状结构，裂隙基本不发育。由此可见，垮落带和断裂带是孔洞和孔隙的主要发育区，这些孔洞孔隙是导致覆岩二次移动、采空区结构二次失稳的潜在因素。

垮落带破裂岩体下部呈散体结构、上部呈碎裂结构，岩块间空隙发育、连通性好，其“二次失稳”特征为在外部荷载作用下的压密和位移。断裂带岩体呈块裂层状结构，岩体块度较大、刚度和强度较高；在采空区边界附近上方，岩块间相互咬合形成外形像梁实质为半拱的结构，并由于各岩层断裂块自身属性不同，运动的不协调型，层间存在大量离层空间，其“二次失稳”特征主要表现为岩块结构失稳和离层空间的闭合。弯曲下沉带岩体为较完整的层状结构，其“二次失稳”特征表现为在上覆压应力和外部荷载作用下的离层裂缝压密。

(3)采空区的碎胀系数方面 表现为采空区覆岩中碎胀岩体范围呈近梯形分布。横向方向采空区中部破裂岩块残余碎胀系数小；愈接近采空区边界，受岩梁结构掩护的影响，破裂岩块残余碎胀系数越大；在采空区边缘附近，破碎岩块仍呈现自然堆积状态，残余碎胀系数和空隙度最大。竖直方向随着远离采空区底板向上，由于破裂岩块的块度迅速增大，其残余碎胀系数逐渐减小。

2.2 采空区注浆液渗流迹线分布规律

采空区注浆技术是指利用液压原理，通过压力将具有胶结性能的浆液材料借助注浆管注入采空区矸石堆积体的残余空隙，形成一个高强度的新“结构体”。在采空区碎石堆积体中，多数孔隙是相互连通的，这些连通的孔隙称为有效孔隙，采空区矸石堆积体的有效孔隙率与采空区“三带”分布密切相关，自下而上有效孔隙率逐渐减小。同时，由于采空区已经经历相当长时间的自然压实，矸石体形态经历过调整，导致采空区中存在大量互不连通或虽连通但流体很难通过的孔隙则称为闭合孔隙。针对采空区注浆工程而言，贯通的孔隙才具有实际工程意义。

2.2.1 垮落区注浆液渗流迹线分布规律

采用前述建立的物理模型及配置的浆液，首先选择垮落区作为主要注浆区域，对浆液在其内的扩散规律进行研究分析，得到了如图3所示典型浆液渗流迹线。分析可知，注入浆液在采空区中的渗流扩散主要受老采空区堆积矸石的孔隙形态、矸石堆积结构形态和注浆压力所影响。在采空区中矸石堆积相对规则的垮落区，其有效孔隙相对不发育，而闭合孔隙相对发育，浆液在该类区域渗流路径单调，浆液在这类区域浆液渗流迹线分布呈现“脊椎式”。

图3 垮落区浆液渗流迹线分布

2.2.2 堆积区注浆液渗流迹线分布规律

采用前述建立的物理模型及配置的浆液，首先选择堆积区作为主要注浆区域，对浆液在其内的扩散规律进行研究分析，得到了如图4所示典型浆液渗流迹线。分析可知，堆积区有效孔隙相对很发育，死端孔隙较少，浆液流动路径丰富，其在这类区域的渗流迹线分布呈现“絮网式”。

图4 堆积区浆液渗流迹线分布

2.2.3 注浆引起的固相颗粒扩散的理论模型

在注浆浆液性能和注浆压力一定的情况下，在采空区矸石堆积体中有效孔隙率高、有效孔隙尺寸较大和渗透通道连通效果好的区域，浆液固相颗粒扩散范围较大即渗流迹线分布较长，反之，渗流迹线分布则较短[9-10]。其实质是矸石堆积特征和浆液性能的相互协调的结果，在浆液流变性和凝胶时间(或固相析出时间)一定的条件下，矸石堆积体的特征越有利于浆液快速流动，在浆液固相析出阻塞有效孔隙之前，流动范围越大即固相渗流迹线越长。采空区不同区域注浆迹线表现出不同规律的主要原因有两个，一是由于采空区矸石堆积体中孔隙大小不一，造成流体在孔隙间沿轴心的流速有差异，如图5(a)所示；二是由于矸石的自由堆积体形成的孔隙本身弯弯曲曲，流体运动方向随机不断改变，造成固相溶质质点群在流动过程中并非以平均流速运动，而是沿着有效孔隙不断向外扩散渗透，如图5(b)，(c)所示。

图5 注浆引起的固相颗粒扩散模型

3 结 论

根据本文进行的研究，可得以下主要结论：

(1)垮落带破裂岩体的“二次失稳”特征为在外部荷载作用下的压密和位移；断裂带岩体的“二次失稳”特征主要表现为岩块结构失稳和离层空间的闭合；弯曲下沉带岩体的“二次失稳”特征表现为在上覆压应力和外部荷载作用下的离层裂缝压密；垮落带和断裂带是导致覆岩二次移动、采空区结构二次失稳的主要根源。

(2)在采空区中矸石堆积相对规则的垮落区的有效孔隙相对不发育，浆液的渗流路径单调，其渗流迹线分布呈现“脊椎式”；堆积区有效孔隙相对发育、死端孔隙较少，浆液流动路径丰富，其渗流迹线分布呈现“絮网式”。

(3)根据对浆液流动迹线的分析，提出了2种注浆引起的固相颗粒扩散的理论模型。

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StudyofHighContentFly-ashCementGroutingFluidFieldDistributionLawofGob

ZOU You-ping1，2

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China)

It taking laboratory similar simulation test and theoretical analysis as the main research methods，grouting fluid distribution law and secondary instability of gob were studied systematic.The results showed that the cement slurry that prepared by certainly ratio was Bingham fluid，the characters of ‘secondary instability’ of broken strata of collapse zone was compaction and deformation under externally loading，the characters of broken zone strata was strata blocks instability and layer separation closed，and the characters of curve subsidence zone was bed separation compaction under overlying strata pressure and externally loading，collapse zone and broken zone were the main reasons that induced secondary movement of overlying strata and secondary instability of gob area，the grouting seepage line within gob collapse scope appeared as ‘herringbone’ type，seepage line appeared as ‘flocculation net’ type，according different seepage line type，then 2 kinds of solid particle dispersion model that induced by grouting were put forward.

gob；high content fly-ash cement slurry；fluid field distribution

2017-08-04

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.026

国家科技重大专项：大型油气田及煤层开发课题(2016ZX05045-007)

邹友平(1979-)，男，湖北天门人，博士，副研究员，主要从事“三下”采煤、采空区治理等方面的研究工作。

邹友平.采空区高掺量粉煤灰水泥注浆流场分布规律研究[J].煤矿开采，2017，22(6)：104-107.

TD265.4

A

1006-6225(2017)06-0104-04

李青]