不规则采空区下特厚煤层综放面注浆扩散规律及加固技术

王 强，张 超,2

（1. 山西宁武榆树坡煤业有限公司，山西 忻州 034000；2. 中国矿业大学（北京），北京 100083）

0 引言

特厚煤层综放开采是实现高产高效的重要开采方法[1-2]，我国重点建设的14个大型煤炭基地和42个千万吨煤矿多以开采特厚煤层为主，且年均煤炭产量占比达70%[3]。因此，实现特厚煤层综放面安全高效开采对我国煤炭工业稳定发展至关重要。近年来，随着我国煤炭机械化、智能化水平不断提升，矿井集约化程度显著增强，在西部矿区涌现出一大批千万吨级特厚煤层综放面，表现出开采几何尺寸增大、采动效应强烈、覆岩结构演化复杂等新特征[4-6]，导致了特厚煤层综放强采动顶板运移及矿压控制技术难题，严重制约特厚煤层安全高效开采。

注浆加固是控制破碎煤岩体稳定性最有效的措施之一，但由于注浆加固过程中无法直接观察注浆扩散范围，导致注浆工艺参数设计不科学，具有很大的盲目性，亟待完善注浆扩散理论，指导现场注浆工艺设计[7]，针对这一问题国内外学者已展开了大量的研究。TANI等[8]分析了Newtonian流体和Bingham流体在平板裂隙间的扩散规律；MAJIDI等[9]计算了屈服幂律流体在平板裂隙间的径向流动理论解，给出了近似解析式；YING等[10]提出了一种多孔介质形成的非均匀孔隙模型，分析了灌浆在地层中的渗透扩散行为以及注浆压力、水灰比、地层位移等参数的影响；ZHANG等[11]研制了固废注浆加固材料，利用COMSOL模拟软件建立了三维流固耦合两相渗流模型，揭示了注浆浆液的扩散形貌；WENG等[12]利用LF-NMR技术综合分析了不同温度、围压、流速和裂缝数下注浆量、有效注浆时间和灌浆速度等对注浆扩散规律的影响；戚绪尧等[13]建立了任意倾角下有限边界裂隙注浆扩散数学模型，探究了不同影响因素下浆液的扩散形态及压力场变化规律；李术才等[14-15]和陈金宇[16]采用理论、试验和模拟的手段综合分析了考虑浆液黏度时变性的注浆扩散形态及压力场时空分布规律；魏建平等[17]构建了浆液对裂隙煤体的堵漏降渗的变质量渗流模型，从注浆浆液运移和颗粒沉积的角度揭示了注浆浆液封堵煤体裂隙机制；付中华[18]提出了基于Weibull分布的裂隙非均质性表征模型，探究了不同煤体裂隙非均质特征参数下的浆液渗透扩散规律。

综上所述，现有注浆扩散研究主要侧重于注浆扩散模型构建和注浆材料性能等方面，对不规则采空区条件下的注浆扩散规律研究较少，同时缺乏相应注浆加固技术应用等方面的研究成果。基于此，本文在收集山西宁武榆树坡煤矿5106综放面支架矿压数据的基础上，分析了不规则采空区下特厚煤层综放面矿压显现特征，建立了综放面随机裂隙加固注浆模型，分析了煤体不同裂隙特征参数的浆液羽状扩散规律，揭示了三角锯齿形动态循环脉冲注浆增注机理，建立了综放面注浆钻孔布局及裂隙弥合时效控制方法，形成三角锯齿形动态循环脉冲注浆加固技术。研究成果对破解不规则采空区下特厚煤层综放面矿压控制难题、促进特厚煤层综放面的安全高效开采，以及类似条件矿井具有重要的理论意义和工程价值。

1 不规则采空区下特厚煤层综放开采概况

1.1 特厚煤层综放面采矿工程地质概况

山西宁武榆树坡煤矿位于宁武县城东北约2 km处，生产能力为1.20 Mt/a，矿井采用斜井开拓方式，包括主斜井、副斜井和回风立井，矿井主采2号煤层和5号煤层，辅助水平5号煤层采用暗斜井开拓，共施工3条暗斜井，分别为胶带暗斜井、辅运暗斜井和回风暗斜井，矿井为中央并列式通风，5106综放面位于5号煤层一采区，综放面布置如图1所示。

图1 5106综放面布置图Fig. 15106 fully-mechanized caving face layout diagram

5106综放面标高为900～1011 m，埋藏深度为346～447 m，煤层厚度为14.5～16.9 m，平均15.5 m，煤层倾角为1°～11°，顶底板岩性大多为砂质泥岩与粉砂岩（图2和表1）。5106综放面第一段和第二段倾斜长度分别为168 m和203 m，可采走向长度分别为156 m和640 m，可采走向长度总计796 m，可采储量2667 849 t。另外，5106综放面上方为2号煤层1202采空区及旧回风巷、1204采空区、1208采空区和1210采空区等，且2号煤层与5号煤层平均间距68 m，在2号煤层不规则采空区的影响下5106综放面岩层运移规律复杂，因此，榆树坡煤矿具备不规则采空区下近距离煤层特厚综放开采的特点，非常具有代表性。

表1 煤层顶底板特征表Table 1 Characteristics of coal seam roof and floor

图2 煤层柱状图Fig. 2 Histogram of coal seam

1.2 不规则采空区下特厚煤层综放面矿压显现特征

5106综放面上方对应2号煤层1202工作面、1208工作面的采空区和保护煤柱，因此，5106综放面位于不规则采空区下方，且煤柱周围属于高应力聚集区，导致5106综放面开采过程中矿压显现剧烈，为了保证工作面的安全生产，对榆树坡煤矿5106综放面进行了矿压观测，得出了5106综放面回采期间各支架工作阻力时空分布情况，如图3所示。

图3 5106综放面支架阻力时空分布图Fig. 3 The space-time distribution map of support resistance in 5106 fully-mechanized caving face

由图3可知，回采期间工作面支架压力情况整体呈现出“两端小、中间大”的趋势，其中，压力云图峰值处可判断为顶板破断位置。由于井下顶板结构的各向异性与复杂性，不同推进距离位置工作面方向支架工作阻力分布特征有着明显差异，推进150～230 m、250～350 m和380～500 m期间工作面支架压力明显较其他区域显著，压力显现更加突出，导致这些区域综放面架段顶板破碎且拖顶困难。为解决上述问题提出了裂隙弥合时效注浆加固控制技术。

2 特厚煤层综放开采围岩注浆扩散规律

2.1 破碎煤体注浆扩散模型及方案设计

采用COMSOL Multiphysics模拟软件对不同注浆压力、不同注浆时间和不同裂隙特征参数条件下注浆扩散规律进行模拟分析，另外，煤体孔隙率采用

为了研究浆液流动形态、扩散半径与注浆压力、煤体孔隙率和裂隙特征参数之间的规律，采用三角锯齿形波设定了脉冲注浆压力，采用随机参数定义了煤体孔隙率，并采用DFN模型建立了综放面破碎煤体随机裂隙。煤体加固注浆模型尺寸为4 m×4 m，钻孔直径为34 mm，破碎煤体注浆扩散模型网格划分，如图4所示。另外，注浆扩散模拟方案，见表2。

表2 注浆扩散模拟方案Table 2 Grouting diffusion simulation scheme

图4 破碎煤体注浆扩散模型Fig. 4 Grouting diffusion model of broken coal

通过布置1#测线和1#测点去定量分析注浆扩散规律，模型水平1#测线的左右端点坐标为（-2 m，0 m）和（2 m，0 m），钻孔边界1#测点坐标为（0.017 m，0 m）。并采用可用饱和度描述注浆扩散规律，另外，采用等效扩散半径re评价注浆扩散效果，其计算见式（2）。

式中，Sl为注浆扩散面积，m2。

2.2 注浆扩散特征及其影响因素分析

1）注浆扩散与裂隙特征参数之间的规律。煤层裂隙可以引导料浆的扩散轨迹，从而影响料浆的扩散规律，裂隙特征参数的选择尤其重要，即设置裂隙条数为0条、50条、100条、150条和200条，通过计算得出不同裂隙特征参数条件下料浆的扩散规律，如图5所示。

图5 不同裂隙特征参数注浆扩散规律Fig. 5 Grouting diffusion rule with different fracture characteristic parameters

由图5可知，DFN模型生成的随机裂隙能够在模型内部均匀分布，且不同裂隙数量对应的模型网格大小均小于0.4 m，模型网格划分差异性较小，即不同方案对应的模型间的计算误差较小。注浆扩散形状受裂隙分布的影响，且随着裂隙数量的增加注浆扩散形状从初始的圆形转变为裂隙引导的不规则羽状，但当裂隙数量超过100条之后，注浆扩散形状整体呈现圆形。模型水平1#测线上料浆饱和度随裂隙数量变化表现出不同的变化规律：当裂隙数量为0条时，钻孔左右区域饱和度呈对称分布；当裂隙数量为50条和100条时，钻孔左右区域饱和度分布开始出现差异性；当裂隙数量为150条和200条时，钻孔左右区域饱和度开始逐渐呈对称分布。

为了判断出模型裂隙的代表数量，降低裂隙随机生成而产生的计算误差，选择注浆扩散面积占比及等效扩散半径与裂隙数量之间的关系，分析裂隙数量对注浆扩散的影响规律，如图6所示。

图6 注浆扩散面积占比及re随裂隙数量变化曲线Fig. 6 Grouting diffusion area proportion and re change curves with the number of cracks

由图6可知，注浆扩散面积占比随裂隙数量的增加呈快速升高后趋于稳定的变化趋势，当裂隙数量为100条、150条和200条时，注浆扩散面积占比均稳定在84%，因此，当裂隙数量超过100条时，模型间的随机误差较小。料浆等效扩散半径随裂隙数量的增加也呈现出快速升高后趋于稳定的变化趋势，同样当裂隙数量为100条、150条和200条时，料浆等效扩散半径均稳定在2.07 m，因此，当裂隙数量超过100条时，模型间的随机误差较小。

综上所述，结合裂隙对注浆扩散规律、注浆扩散面积占比及等效扩散半径的影响规律，确定出模型裂隙特征参数的代表数量为200条。

2）注浆扩散与注浆压力之间的规律。注浆压力是浆液在介质内渗透扩散的驱动力，注浆压力的大小直接影响着注浆扩散的范围，为分析不同注浆压力对注浆扩散范围的影响，选择方案6、方案7、方案8和方案9对应的数值模拟结果分析注浆扩散与注浆压力之间的规律，如图7所示。

图7 注浆扩散面积占比和re随时间变化曲线Fig. 7 Grouting diffusion area proportion and re change curves with time

由图7可知，注浆扩散面积占比数值随注浆时间的增加而增大，且在注浆前期注浆扩散面积占比数值呈线性增加的趋势，之后会出现快速升高的现象，最后，随着注浆时间的不断增加，注浆扩散面积占比逐渐趋于稳定。不同注浆压力时，注浆扩散面积占比曲线斜率表现出不同的变化规律：在注浆压力从4 MPa增加至10 MPa过程中，注浆扩散面积占比曲线斜率逐渐增大，且注浆压力越大在注浆20～30 min时间内斜率突增越明显。料浆等效扩散半径与注浆扩散面积占比具有相同的变化规律。另外，当注浆压力为4 MPa和6 MPa时，注浆2 h后料浆等效扩散半径均超过2 m，当注浆压力为8 MPa和10 MPa时，料浆等效扩散半径达到2 m需要消耗的时间分别为105 min和85 min。

综上所述，当注浆钻孔间距为2 m时，注浆压力为8 MPa较为合宜，且每个注浆钻孔的注浆时间应该超过105 min。

3）注浆扩散随注浆时间的演化规律。根据注浆扩散与注浆压力之间的关系选择方案8（注浆压力为8 MPa，裂隙特征参数为200条，无脉冲注浆）去分析注浆扩散随注浆时间的演化规律和不同注浆时间扩散面积占比及等效扩散半径变化，如图8所示。

图8 不同注浆时间注浆扩散规律Fig. 8 Law of grouting diffusion at different grouting times

由图8可知，随注浆时间的增加，注浆扩散范围逐渐增大，在注浆钻孔附近料浆饱和度最大，并沿着注浆钻孔整体呈现圆形扩散趋势，且沿裂隙发育路径羽状扩散形式也逐渐显现。随着注浆时间的增加，注浆扩散面积占比和注浆扩散等效半径逐渐增加，当注浆30 min、75 min和120 min时，注浆扩散面积占比依次为38.79%、71.34%和81.13%，注浆扩散等效半径依次为1.41 m、1.91 m和2.03 m。注浆扩散面积超过模型整个面积的一半时，需要消耗约39 min，此时，料浆等效扩散半径为1.60 m；当注浆105 min后，注浆扩散至模型边界，此时，注浆扩散面积占比为78.58%。

综上所述，当注浆120 min后，注浆扩散面积超过整个模型面积的80%，因此，当注浆钻孔间距为2 m、注浆压力为8 MPa时，每个注浆钻孔的注浆时间可以选为120 min。

4）三角锯齿形波脉冲注浆效果分析。脉冲注浆能够迫使煤层内部的裂隙劈裂和小裂隙张开，形成新的扩散通道，促进裂隙网络的进一步发展[18]，从而能够改造煤层裂隙的过流能力，改变浆液在裂隙中的流动特性，三角锯齿形波脉冲注浆扩散规律，如图9所示。由图9可知，三角锯齿形波脉冲注浆扩散范围随注浆时间的增加而逐渐扩大，且相较于恒定压力注浆，在相同注浆时间范围内，三角锯齿形波脉冲注浆扩散范围增加的较快。随着注浆时间的增加，注浆扩散面积占比和注浆扩散等效半径逐渐增加，且相较于恒定压力注浆，在相同注浆时间范围内三角锯齿形波脉冲注浆扩散面积占比和注浆扩散等效半径增加较快。注浆扩散面积超过模型整个面积的一半时，仅需要消耗约29 min，比恒定压力注浆提前了10 min。另外，当注浆时间为79 min时，等效扩散半径为2 m，较恒定压力注浆提前了26 min，注浆扩散速率提升约25%，即三角锯齿形波脉冲注浆扩散距离更远，注浆扩散效果更好。

图9 脉冲注浆条件下扩散面积占比及re随时间变化曲线Fig. 9 Diffusion area proportion and re change curves with time under pulse grouting condition

通过导出模型水平1#测线上的饱和度和压力，得出了三角锯齿形波脉冲注浆特性，如图10所示，从而分析三角锯齿形动态循环脉冲注浆增注机理。

图10 模型水平1#测线上脉冲注浆特性Fig. 10 Characteristics of pulse grouting on measuring line 1# of model level

由图10可知，模型水平1#测线上料浆饱和度大部分区域均超过了0.5，且在钻孔左右区域饱和度对称分布较为明显，且右侧的差异性分布得到进一步的削弱，因此，三角锯齿形波脉冲注浆能够弱化裂隙分布形态的影响。模型水平1#测线上的压力在逐渐远离注浆钻孔过程中，数值开始出现快速降低后趋于稳定，并在三角锯齿形波脉冲压力作用下模型水平1#测线上的压力出现了明显的周期性变化规律。

综上所述，根据三角锯齿形波脉冲注浆效果分析可知，脉冲注浆较恒压注浆效果较好，为进一步揭示三角锯齿形动态循环脉冲注浆增注机理，绘制了三角锯齿形动态循环脉冲注浆增注机理，如图11所示。

图11 三角锯齿形动态循环脉冲注浆增注机理Fig. 11 Increase mechanism of triangle sawtooth dynamic cyclic pulse grouting

由图11可知，三角锯齿形动态循环脉冲注浆能够有效开启裂隙，从而增加煤体渗透性，三角锯齿形动态循环脉冲注浆增注机理为三角锯齿形动态循环脉冲注浆利用脉冲压力的加卸载特性，煤体裂隙处于疲劳损伤状态，损伤累计会使裂隙尖端开启，能够与其他裂隙沟通，从而形成裂隙网络，增加了煤体的渗透性。三角锯齿形动态循环脉冲注浆能够利用脉冲压力的高循环、低压实现对裂隙壁面的张开闭合，可通过闭合裂隙实现浆液的输送，从而提高料浆的扩散范围。三角锯齿形动态循环脉冲注浆能够保持浆液的均匀性，弱化浆液黏度的时变性，脉冲压力的变化能够使得浆液处于紊流状态，在紊乱多变的剪切力作用下，浆液携带的颗粒始终处于非平衡受力状态，颗粒的重力不能抗衡多变剪切力的作用，其运动方向和运动速度持续变化。因此，浆液颗粒不会发生沉降、离析，浆液能保持较好的均匀性。同时，浆液黏度与浆液运动速度和料浆的材质息息相关，浆液均匀性增加也在一定程度上削弱了浆液黏度随时间增大的性质，这也使得浆液对受注煤体的加固效果提升。

3 围岩注浆加固技术及工程应用效果

3.1 三角锯齿形动态循环脉冲注浆加固方法

在上覆不规则采空区空间分布影响下，综放面煤体原始应力被打破，且随着工作面的不断推进，煤体破坏形成一个动态破坏过程，导致煤体内部裂隙出现张开和闭合的现象，而裂隙的发育会直接影响注浆扩散范围，因此，注浆时机的选择尤为重要，注浆钻孔布局及裂隙弥合时效控制流程，如图12所示。

图12 注浆钻孔布局及裂隙弥合时效控制方法Fig. 12 Layout of grouting hole and aging control method of crack healing

1）模型构建：首先，基于DNF模型、脉冲注浆、Dracy模型和微积分学等理论基础构建出三角锯齿形动态循环脉冲注浆加固数值模型，模型主要包括随机裂隙、孔隙率构建以及注浆钻孔和煤体。

2）参数设置：浆料性质、脉冲压力、注浆时效和钻孔布置直接影响注浆加固的效果，因此，模型构建后需要将料浆性能参数的实验室测试结果导入数值模型，并根据影响因素设定裂隙特征参数、注浆压力和脉冲参数等。

3）评价方法：根据不同研究方案模拟结果计算注浆扩散面积，并根据式（2）得出等效扩散半径re，通过分析注浆扩散与裂隙特征参数之间的关系，得出代表性裂隙特征参数，然后根据注浆扩散与注浆压力、注浆时间及脉冲注浆之间的关系分析效果应用情况，确定最优的注浆工艺参数，并进行现场工程应用，根据应用效果提出技术改进措施，重复以上步骤，从而得出最优的三角锯齿形动态循环脉冲注浆加固技术。

3.2 围岩注浆加固工程应用效果分析

榆树坡煤矿5106运输顺槽在切眼前方363～698 m范围内处于上覆1202采空区西侧煤柱下方，受叠加应力影响，巷道超前范围煤壁破碎，并且在工作面推进时受煤柱应力影响，煤壁片帮严重，因此，在5106运输顺槽内超前工作面通过架前注浆与巷道注浆进行加固，提高煤层及巷道围岩完整性。

三角锯齿形动态循环脉冲注浆加固步骤：斜交巷道两帮倾斜5°～10°打6 m深钻孔，钻孔间距为2 m，注射封孔器置于孔口往里1.5 m处，注浆钻孔直径为40 mm，链接注浆管后，通过注浆泵配合三角锯齿形动态循环脉冲压力将A料、B料注入煤体，实现破碎煤体的加固，并对破碎煤体注浆加固情况进行观测，现场注浆工艺及效果实拍，如图13所示。

图13 现场注浆工艺及效果实拍图Fig. 13 Real picture of in-situ grouting process and effect

由图13可知，对比注浆前后钻孔窥视结果，未注浆煤体内裂隙较为发育，煤层完整性较差；注浆后煤体内裂隙被有效填充，无明显裂隙，加固效果显著，因此，三角锯齿形动态循环脉冲注浆加固方案设计较合理，且实施效果较好。

4 结 论

1）综放面回采期间支架整体呈现出“两端小、中间大”的趋势，其中，压力云图峰值处可判断为顶板破断位置，由于井下顶板结构的各向异性与复杂性，不同推进距离位置工作面方向支架工作阻力分布特征有着明显差异，推进150～230 m、250～350 m和380～500 m期间工作面支架压力明显较其他区域显著，压力显现更加突出。

2）结合裂隙对注浆扩散规律、注浆扩散面积占比及等效扩散半径的影响规律，确定出模型裂隙特征参数的代表数量为200条；当注浆钻孔间距为2 m时，注浆压力为8 MPa较为合宜，且每个注浆钻孔的注浆时间应该保证在105～120 min之间。

3）三角锯齿形动态循环脉冲注浆利用脉冲压力的加卸载特性，煤体裂隙处于疲劳损伤状态，损伤累计会使裂隙尖端开启，能够与其他裂隙沟通，从而形成裂隙网络，增加了煤体的渗透性，形成了三角锯齿形动态循环脉冲注浆加固方法。

4）通过现场观测发现工作面煤壁完整性较好，煤壁未出现片帮的情况，同时煤体裂隙被充分充填，提高了煤体结构的稳定性，降低了煤壁片帮的发生概率，加固效果显著，因此，三角锯齿形动态循环脉冲注浆加固方案设计较合理，且实施效果较好。