采动覆岩离层多层位注浆地表沉陷控制技术

2021-07-17马荷雯

煤田地质与勘探 2021年3期

马荷雯

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安 710077)

近年来，建(构)筑物、铁路和水体下煤炭资源开采导致的地表沉陷等环境问题日益严重，直接表现为千亩良田破坏和地表建(构)筑物的损毁[1]。在目前的煤炭绿色开采技术中，条带开采和充填开采技术已被证实是控制地表沉陷的有效方法，地表下沉系数可以控制在0.10～0.30，煤炭采出率可达80%～90%[2-3]，且一直在国内外煤矿中广泛使用[4-5]。在充填开采技术中，根据充填的不同位置可分为采空区充填和覆岩注浆[6-7]。其中，覆岩注浆技术作为较新的地表沉陷控制技术，是通过地面垂直钻孔对采动覆岩离层进行注浆，并在覆岩内部形成充填压实体支撑上覆岩层、控制地表沉陷[8-9]。覆岩离层注浆由于不影响井下正常开采而得到快速发展，已经在新汶、开滦、淮北等矿区进行了现场试验，结果表明地表沉陷可以减小36%～65%[10-12]。然而，覆岩离层注浆充填技术具有一定的适用条件[13-14]，当实际煤层上覆岩层中不存在厚、硬岩层的情况时，采动覆岩内部难以发育较大尺寸离层空间来满足覆岩注浆量[6,14-15]。为此，笔者提出采动覆岩离层多层位注浆技术，建立多层位注浆离层时空演化模型，并通过现场试验对无厚、硬岩层采动覆岩离层注浆的减沉效果进行验证，以期为离层注浆减沉提供新的技术方法。

1 覆岩离层多层位注浆相似材料模拟实验

1.1 实验模型构建

为对采动覆岩离层多层位注浆地表沉陷控制技术进行研究，采用自主开发研制的离层注浆系统(图1a)，通过铺设0.2 mm 厚的透明聚乙烯气囊袋(图1b)和微型气泵，对采动覆岩离层发育过程和不同层位离层注浆进行模拟。实验选取安徽省宿州市祁南煤矿首采工作面为工程背景，该工作面开采32煤层，煤层采高4 m，平均开采深度467 m，月回采距离100～150 m。32煤层顶板以泥岩、粉砂岩为主，松散层平均厚度280 m。根据相似理论，实验选取1︰500 的几何相似比，建立140 cm×20 cm×53 cm 的相似材料实验模型(图2)，模型地层和岩石物理力学参数见表1。模型顶部铺设3 层铁砖，施加9.45 kPa 的松散地层补偿荷载。岩层间平均2 cm铺设薄层碎云母片，防止工作面推进过程中，上覆岩体出现整体垮落。模型在开采煤层上覆岩层中布设3 条观测线，对煤层开采过程上覆岩层变形情况进行监测(图2)。

表1 实验采用岩石的物理力学指标Table 1 Physic-mechanical properties of overburden

图1 多层位离层注浆实验模拟装置Fig.1 Device of scale model test for multi-bed separation grouting

1.2 多层位离层注浆过程

模拟工作面走向开采过程，根据模型相似比，设计采高0.8 cm，开采距离98 cm，间隔15 min 进行一次开挖，单位开采距离为7 cm，模型两边各预留21 cm 煤柱以消除边界效应影响。煤层开采过程中，覆岩离层沿工作面推进和顶板方向逐渐向前向上发育。当注浆层位岩层出现分离时，开始离层注浆模拟实验。

2 采动覆岩离层注浆时空演化规律

2.1 单离层注浆时空演化规律

为得出单离层注浆过程中覆岩裂隙的动态演化规律，基于分形理论对相似材料物理实验结果进行分析[16-17]。单层离层注浆覆岩变形动态演化如图3所示，当煤层开采至49 cm(实际245 m)时，上覆岩层出现一次性垮落且垮落尺寸较大，顶板出现岩梁铰接结构，上覆岩层受自身重力而变形下沉，采空区上部出现一定的采出空间。泥岩、粉砂岩直接顶首先垮落，并伴有覆岩裂隙，如图3a 所示。随着工作面推进至63 cm(实际315 m)，第6层岩层完全垮落，且其上部岩层产生细微裂隙(图3b)。当工作面推进至70 cm(实际350 m)，在煤层顶板上方14 cm(实际70 m)处，下覆泥岩地层出现破断，泥岩与中粒砂岩之间出现较大尺寸可充填离层空间。此时，离层空间正处于离层发展周期的扩展阶段，离层空间尺寸持续增大，开始进行单离层注浆实验(图3c)。

在注浆过程中，可以清楚地看到离层下覆岩层明显受到注浆体的挤压，下覆岩体裂隙发育，与此同时，离层上覆地层的裂缝逐渐减小，结果表明，此时离层充填体对上方岩层起到有效的支撑作用(图3d)。

图3 单离层注浆覆岩裂隙动态演化Fig.3 Spatio-temporal evolution diagram of single-bed separation grouting

2.2 多离层注浆时空演化规律

随着工作面推进，采动覆岩离层由低层位逐渐向高层位发育，相对于工作面推进速度，离层空间发育出现明显的滞后性特征。为进一步分析多离层注浆对采动覆岩内部变形的控制作用，绘制多离层注浆过程中覆岩内部裂隙动态演化过程，如图4所示。当工作面推进至91 cm(实际455 m)时，煤层上方基本顶断裂，采动覆岩内部垂直裂缝突破下部中砂岩层并继续向上扩展，离层随着工作面的推进逐步向上发育至距离煤层顶板16.8 cm(实际84 m)处，采空区上覆岩体内部出现多处裂隙和离层空间，且高层位较大尺寸离层空间开始发育(图4a)。当工作面继续推进至98 cm(实际490 m)时，开始进行高层位离层注浆实验(图4b)。

图4 多离层注浆覆岩裂隙动态演化Fig.4 Spatio-temporal evolution diagram of multi-bed separation grouting

根据图4b 和图4c 多离层注浆前后覆岩内部裂隙演化对比，随着高层位离层注浆实验的进行，离层上部岩石的裂缝减小甚至消失，相反，注浆离层下覆扰动岩体进一步压实，且注浆离层空间尺寸逐渐减小。

2.3 实验结果分析

根据单离层注浆和多离层注浆实验结果显示，煤层继续开采，覆岩变形区域面积和变形程度都逐渐增大。离层注浆可通过注浆离层下覆岩体将离层空间内充填体载荷向下传递至煤层顶板，实施多层位离层注浆，注浆离层下覆岩体变形程度明显大于单离层注浆，且煤层顶板上覆裂隙岩体的压实程度提高。注浆开始时，注浆离层下覆岩体逐渐被压实，相应地，注浆离层上覆岩体裂隙逐渐减小。受发育离层盘状形态(空间)影响，离层充填呈现中间厚边缘薄，注浆离层中心位置的下覆岩体受到的压应力最大，压实程度更高。

根据低层位注浆离层下覆岩体观测线Ⅰ观测数据，绘制出覆岩内部变形三维曲线，如图5 所示。实施单离层注浆后，注浆离层中心位置下覆岩体变形量最大，为0.489 9 m；实施多离层注浆后，注浆离层中心位置下覆岩体最大下沉量为1.237 2 m，压实程度提高60%。对比单离层注浆效果，多离层注浆充填体提高了离层下覆破碎岩体的压实程度，进而扩大了注浆离层空间尺寸，增加了离层注浆注采比(注入量与采出煤岩体量之比)，从而提高了注浆减沉率，达到控制地表沉陷的效果。

图5 单离层注浆与多离层注浆效果对比Fig.5 Comparison surface subsidence of single-bed separation grouting and multi-bed separation grouting

3 多层位离层注浆充填机理

建立多层位覆岩离层注浆充填开采的等效模型，根据注浆离层下覆岩体最大压实区域位于离层中心位置，多层位离层注浆充填效果(注采比)明显高于单层位注浆充填离层的特性，将高层位注浆离层内部的注浆充填体向下投影至低层位注浆离层，作为低层位离层空间内部的虚拟扩展充填体，如图6所示。将实际低(单)层位离层注浆充填体和(高层位注浆充填离层)虚拟扩展充填体结合，共同得出多层位离层注浆充填有效充填体积(图6)。

图6 多离层注浆充填等效开采模型Fig.6 Equivalent extraction model for multi-bed separation grouting

根据建立的多层位覆岩离层注浆充填开采模型可知，当压实区扩展部分高度为0 时，表明此时上方高层位离层注浆充填率为0，注浆充填效果为单层位离层注浆充填；当压实区扩展部分高度大于0时，离层空间的实际充填体为压实区、非压实区和扩展区体积之和。高层位离层注浆充填体、低层位离层注浆充填体及其间隔岩体共同形成联合承载体，共同支撑上覆岩层。由于高层位离层与低层位离层间的覆岩岩体受采动影响，具有一定碎胀性，多层位离层注浆充填率应高于单层位离层注浆充填率，多层位离层注浆充填体协同压实煤层顶板上覆破碎岩体，因此，地表减沉量增加。然而，受不同注浆离层之间采动岩体厚度、岩性等因素影响，实施多层位离层注浆充填对地表减沉量的增加有限。

4 采动覆岩离层多层位注浆工程案例

4.1 离层注浆方案设计

为实际探究采动覆岩多层位离层注浆对地面沉降的控制效果，选取淮北矿区祁南煤矿36 采区首采工作面进行现场试验。工作面上方共设置1 条走向观测线(观测点编号J1—J15)和2 条倾向观测线(观测点编号分别为J16—J34、T1—T19)，对注浆前后地表移动变形进行监测(图7)。

图7 淮北矿区祁南煤矿36 采区钻孔位置Fig.7 Layout of injection boreholes in mining district 36 of Qinan Coal Mine in Huaibei Mining Area

为保证注浆充填安全，同时兼顾工作面的生产条件，应保证注浆初期注浆浆液不进入工作面，防止井下工作面发生突水事故，离层注浆钻孔深度应与导水裂隙带顶部之间保留10～20 m 或以上安全距离。不同层位注浆离层内形成不同扩散半径的离层注浆充填体，叠加共同形成复合充填体，实现多层位采动覆岩离层注浆(图8)。根据注浆离层发育尺寸，综合考虑钻探难度和施工成本，保证采动覆岩离层注浆充填量，在村庄保护煤柱范围的工作面增加注浆钻孔数量。共布置注浆钻孔6 个，其中注1、注3、注6 为主注浆孔，注2、注4、注5 为增加的辅注浆孔(图7)，分别距离煤层顶板60、90 m，离层注浆钻孔设计参数详见表2。

表2 注浆钻孔设计参数Table 2 Designed parameters of grouting boreholes

图8 多层位离层注浆Fig.8 Schematic of grout injection into multi-bed-separation

4.2 离层注浆量预计

离层注浆浆液由骨料和溶剂配制而成，选用粉煤灰做注浆原材料，将粉煤灰掺入一定量的水制成充填用粉煤灰浆体，该灰浆体具有扩散特性强、流动半径大的特点，可以通过较少的钻孔数目对采动覆岩离层空间进行有效充填，在离层空间内部固结成高强度充填体，并与离层空间上下部岩层胶结成新的饱和灰(岩)体。根据现场试验结果，注浆浆液水灰(水泥–粉煤灰)质量比值和体积比值分别为1.4～2.5 和1.0～1.4。

注浆区域采出空间体积为：

式中：C为煤层采出率；L为工作面斜长，m；D为工作面走向长度，m；M为采高，取4.0 m。

则预计所需要的干粉煤灰体积为：

式中：α为所要求的注采比。

为控制工作面切眼上方地表沉降，保证保护村庄处于Ⅰ级破坏以内[18]，减沉率需达到75%。根据覆岩注浆注采比一般为0.3 进行预计[14,19]。由式(2)，工作面开采方式为综采一次采全高，C取1。取倾向宽度为127 m 的工作面切眼区域长度350 m，倾向宽度为187 m 的工作面区域长度150 m(图7)，工作面保护煤柱区域采空区面积和体积约为75 058 m2和300 230 m3(按倾角15°计算)。注浆粉煤灰取自附近电厂，粉煤灰干密度为0.95～1.15 g/cm3，一般按1 g/cm3进行估算，则预计注灰(粉煤灰干灰)量为90 069 t。图9 为实际每月注入干灰的总量，随着回采进行，注灰量呈现先递增后递减的趋势，与采动覆岩离层空间发育尺寸(增加—维持—衰减)的变化趋势一致，说明增加单位区域内离层注浆钻孔数目的2 倍和注浆层位，可以充分充填离层发育空间。现场试验工作面实际推进540 m，注入粉煤灰干灰总量为98 912 t，注采比约为0.33，与式(2)预计结果吻合程度超过91%。

图9 各月份注灰量统计Fig.9 Quantity of fly ash injected per month

5 多层位离层注浆地表沉降控制效果

为验证实验结论，评价注浆工程地表沉陷控制效果，在该工作面建立地表移动观测站，累计共进行22 次地表位移观测。根据最后一次的实际观测结果，基于Matlab 软件和最小二乘法分别对走向和倾向观测线实测数据进行曲线拟合，得出地表下沉系数q为0.199 8。由图10 中可以看出，实测数据与拟合曲线的拟合程度较高，所求参数较精确。

图10 离层注浆地表观测实测值与拟合曲线对比Fig.10 Comparison of measured values and fitted curves of multi-bed separation grouting

基于随机介质理论[9,20-22]对正常采动条件下地表移动变形情况进行预计，与注浆现场地表观测结果(表3)进行对比。正常开采条件下，地表最大变形达2 082 mm，实施多层位离层注浆充填后，地表最大下沉量为418 mm。根据地表保护村庄边界最近采掘工作面地表岩移观测站实际监测结果，工作面切眼上方保护村庄地表最大下沉值为92 mm，村庄范围地表变形均处于Ⅰ级变形以内。结果表明，多层位离层注浆可以明显提高注浆充填率(注采比)，地表减沉率可以达到79.92%，对控制采动引起的地面沉降具有明显效果。