采动裂隙“O形圈”时空演化规律及注浆应用

赵 明，吕 毅，康 健，苗 健，林倚天

（1.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039；2.山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司夏店煤矿，山西长治 046299）

0 引言

近年来，采动覆岩离层区注浆充填技术在潞安化工集团下属多个矿井进行了成功应用，该技术既解决了长壁开采控制地表变形的问题［1-3］，又提高了采出率（相对条带开采），但这种技术对工作面隔离煤柱的尺寸有严格要求，现实生产中往往难以满足，尤其是工作面已经布置完成后，再改变工作面长度与区段煤柱宽度较为困难［4-6］。

夏店煤矿3119 工作面与3117 工作面瓦斯泵站压覆资源区域开采时均采用覆岩离层注浆技术，3117 工作面注浆减沉达到了预期效果，在实施相邻的3119 工作面注浆前，该工作面已完成布置，隔离煤柱留设宽度为30m，小于60m 的安全隔离煤柱宽度要求。因此，提出了采动裂隙“O 形圈”注浆充填技术，对隔离煤柱进行注浆加固，可进一步增强隔离煤柱的承载能力，避免已注浆工作面地表发生二次沉降，从而控制地表建筑物的长期稳定［7-8］。

1 研究背景

在成功实施3117 工作面采动覆岩离层区注浆保护地表瓦斯泵站基础上，为最大限度提高煤炭资源回收率，延长矿井服务年限，保护西风井工业广场区内建筑物安全，在3119工作面实施了离层注浆减沉。3119工作面宽211m，注浆区推进长度248m，3119 工作面与3117 工作面之间的隔离煤柱宽度为30m（图1）。前期实施的3117 工作面注浆结束后，地表沉陷得到了有效控制，最终观测结果显示，地表累计最大沉降值为76.14mm，瓦斯泵站核心控制区最大沉降为10.90mm，倾斜值最大为-0.07mm/m，曲率变形值最大为-0.017mm/m2，水平变形值最大为-1.13mm/m。

图1 3119及3117工作面位置Figure 1 Position of working faces 3119 and 3117

2 “O形圈”时空演化及关键参数

2.1 “O形圈”时空演化规律分析

采动裂隙“O 形圈”实质是采空区四周上方覆岩内沿层面横向连通的离层发育区。沿顶板高度方向，离层随工作面推进呈跳跃式由下向上发展［2，9-10］（图2）。

图2 采动裂隙“O形圈”Figure 2 Mining fissure O type ring

工作面回采后，上覆岩层将随着工作面推进逐渐向上发生运移破断。图3所示为工作面采场不同推进距离条件下的覆岩离层及“O形圈”分布的相似模拟情况，随着工作面的开采，首先，第1 层亚关键层下出现离层，当其破断后其下离层呈“O 形圈”分布；此时，上部第2 层亚关键层下出现离层，当其破断后其下离层呈“O 形圈”分布，如此发展直至主关键层。

图3 采动覆岩离层及“O形圈”发育Figure 3 Abscission layer in overlying disrupted strata by extraction and development “O type ring”

2.2 “O形圈”宽度计算分析

沿顶板高度方向，低位“O 形圈”裂隙主要以横向和纵向裂隙为主，随着高度增加，“O形圈”裂隙逐渐以横向离层为主。根据钱鸣高院士的砌体梁模型理论，砌体梁结构中弯曲段宽度即近似等于“O形圈”宽度。如图4所示，煤层开采以后地表移动曲线是由岩层内部移动曲线演变而成的，砌体梁结构的位移函数：

图4 “O形圈”宽度与砌体梁结构关系示意Figure 4 Schematic diagram of the relationship between the width of “O type ring” and the structure of voussoir beam

式中：Wx为砌体梁结构的位移曲线；W0为砌体梁结构的最终下沉值，mm；W0可表示为

式中：∑h'为砌体梁结构到煤层顶板的距离，m；K'p为∑h'内岩层的残余碎胀系数；l为断裂岩块长度，m；σt为岩块抗拉强度，kPa；q为岩块承受的载荷，kPa。

2.3 “O形圈”注浆加固煤柱机理分析

开展离层注浆时，需留设一定宽度的隔离煤柱，隔离煤柱的作用主要是支撑煤柱上覆岩层重量及两侧采空区悬露岩层转移到煤柱上的部分重量，并防止煤柱上方关键层上下区段离层区贯通，同时，考虑到煤柱的长期承载能力变化，若煤柱发生变形甚至破坏，将进一步导致地表发生下沉变形，影响建筑物安全稳定［11-12］。

3119 工作面实施注浆前，工作面已完成布置，隔离煤柱留设宽度为30m，小于60m 的安全隔离煤柱宽度要求。因此需再造隔离支撑岩柱，使两工作面间有足够的承载结构。夏店煤矿3117 工作面“O形圈”注浆位置为低位裂隙区，基于工作面开采技术参数，利用公式（1）～（3）计算得到的“O形圈”宽度为58m。3117 工作面与3119 工作面之间的隔离煤柱的安全宽度为60m，因此可注浆再造30m 隔离岩柱，如图5 所示。“O 形圈”注浆后，将使煤柱二向受力状态变为三向受力，有效增强其承载能力［13］。

图5 采动覆岩离层+“O形圈”注浆充填技术原理示意Figure 5 Schematic diagram of the principle of grout injection into abscission layer and “O type ring” in overlying disrupted strata by extraction

3 实例分析

3.1 注浆钻孔布置

夏店煤矿注浆工程共计布置注浆钻孔10个，其中3119 工作面布置离层注浆钻孔7 个，3117 工作面布置“O形圈”注浆钻孔3个，其中注19-7孔为直孔，其余为定向孔（图6）。

3.2 注浆充填材料及注浆量

水泥-粉煤灰浆液较单液水泥浆成本低、流动性及稳定性较好、结石率高，适合于井下老空区充填注浆［14-15］。为确保所用的粉煤灰-水泥浆液具有良好的可泵性、流动性及可控的扩散范围，进行了粉煤灰-水泥浆液配比及性能实验，包括析水率及结石率、流动性、凝结时间、强度等［16］。根据现场注浆测试，最终选择浆液的水固比1∶1.3，固相比3∶7～5∶5，此配比下浆液的流动时间为31.9～32.33s，析水率为26.46%～30.50%、结石率为69.5%～83.54%，密度为1.432～1.494g/cm3，浆液的初凝时间为15～23h，28d后固结强度为6.4～7.2MPa。

2022 年3 月12 日开始正式进行离层注浆工作，2022 年5 月17 日开始正式进行“O 形圈”注浆工作。截至2023年2月18日，3119工作面离层注浆累计注灰量约26 万t，3117 工作面“O 形圈”注浆累计注灰量约1.6万t，注水泥量约9 000t。

4 地表岩移观测研究

4.1 3119工作面走向下沉特征

选取有代表性的7次地表下沉数据得到地表走向方向下沉曲线，2022 年3 月26 日地表开始发生下沉，随着工作面推进，地表下沉范围和下沉值不断增大。2023 年4 月份注浆结束后，最终岩移观测结果表明，在X21测站附近出现下沉极大值点M，最大下沉值为418mm，此点距离工作面停采线221m，符合非充分采动一般下沉曲线的特征（图7a）。

4.2 3119工作面倾向下沉特征

2022 年5 月30 日观测线Y 线观察到了地表有下沉现象，随着工作面的不断向前推进，倾向观测线的下沉范围和下沉值不断增大。最终岩移观测结果表明，在Y11 测站附近出现下沉极大值点M，最大下沉值为124mm，此点距离工作面运输巷边界50m（图7b）。

4.3 瓦斯泵站岩移分析

岩移观测期间，共计开展了55次瓦斯泵站外墙观测，取其中10 次观测值绘制沉降曲线（图8）。各观测点沉降值总体上呈现波动趋势，各次变化值逐渐减小，在2022 年10 月16 日开始至2023 年1 月16日工作面回采结束前和结束后，泵站总体上呈下沉趋势，之后总体基本上稳定，未发生异常变形。

图8 瓦斯泵站外墙观测点下沉曲线Figure 8 Subsidence curve of observation points on the exterior wall of gas pumping station

5 结论

1）采动裂隙“O 形圈”实质是采空区四周上方覆岩内沿层面横向连通的离层发育区，其最大发育高度止于主关键层下方。沿顶板高度方向，低位“O形圈”裂隙主要以横向和纵向裂隙为主，随着高度增加，“O形圈”裂隙逐渐以横向离层为主，基于砌体梁模型理论，给出了低位“O形圈”裂隙宽度。

2）通过开展低位“O 形圈”裂隙区注浆，可再造隔离支撑岩柱对煤柱进行加固，改善其受力状态，增强其承载能力，防止煤柱上方关键层上下区段离层区贯通，确保注浆充填效果。

3）地表岩移观测结果表明，3119 工作面走向和倾向下沉符合非充分采动一般下沉曲线特征，走向方向最大沉降点位于工作面注浆边界位置，最大下沉值为418mm，倾向方向最大沉降点距离工作面运输巷边界50m，最大下沉值为124mm。整个注浆生产期间的瓦斯泵站外墙观测点无明显变化，未发生异常变形。