離層注漿技術在沖擊地壓防治中的應用

朱學軍，魏中舉，趙鐵鵬

(山東科技大學資源與環(huán)境工程學院，山東 青島 266510)

地下煤炭的開采，使得采場上覆巖體破斷、離層、移動及變形運動最終達到地表沉陷，致使諸如沖擊地壓、頂板事故、地表建(構)筑物損害等煤礦事故不斷發(fā)生。研究表明，在覆巖運動過程中，巖層內(nèi)部離層的存在影響了地下采空體積的轉移，同時由于覆巖離層空隙帶的產(chǎn)生與發(fā)展是一個動態(tài)變化的過程，離層帶會隨著開采活動影響的結束而逐漸閉合，從而也就失去了減少采空體積向地表轉移量的作用[1]。離層注漿技術自20世紀80年代在撫順、新汶等礦區(qū)實施以來，取得了良好的地表減沉效果，但對在防治沖擊地壓等礦井動力災害方面的影響還認識不夠。本文試從防治沖擊地壓的角度，來探討離層注漿技術的應用。

1 離層帶的形成與沖擊地壓的關系

煤層開采后，原巖應力平衡狀態(tài)受到破壞，應力重新分布，引起上覆巖層的移動與破斷，上覆巖層形成垮落帶、裂縫帶和彎曲帶等“三帶”。在該過程中，覆巖中隨巖層下沉的巖層之間出現(xiàn)沿層面的離層裂隙。一般情況下，當上覆巖層中存在巖性、剛度差別較大的巖層(組)時，這種離層非常發(fā)育[2]。

華豐井田煤層傾角平均為32°，采深達1200m以上，其中4煤為主采煤層，厚約6.4m，具有強烈的沖擊傾向性。上覆第三系地層分為兩部分：下部為紅褐色砂質(zhì)黏土巖或黏土質(zhì)粉砂巖，俗稱“紅砂巖”，厚約50m，巖性較軟(f=1.4，E=(1.34～0.92)×104MPa)，遇水易崩解膨脹；上部為礫巖層，厚度在400～800m，整體性好，強度大(f=5.9，E=4.92×104MPa)。

由關鍵層理論判斷，巨厚礫巖層為主關鍵層，紅層為弱巖層，其巖層組合可簡化為上堅硬-下軟弱型[3]，為離層的發(fā)育提供了基本條件。礫巖與紅層界面處，離層沿工作面推采方向上發(fā)育過程如圖1所示。

圖1 離層發(fā)育形態(tài)

離層空間的大小和離層的位置，不僅與煤層厚度、工作面推進速度及上覆巖層的性質(zhì)和結構有關，還與采空區(qū)尺寸密切相關[4]。隨著工作面繼續(xù)推進，采動影響范圍由煤層頂板不斷向上覆巖層擴展。在覆巖裂隙帶的上部，離層裂縫開始產(chǎn)生，并逐步擴展；隨著采空區(qū)尺寸擴大到一定范圍后，離層空間也擴展到最大尺寸并相對穩(wěn)定一段時間。

在離層帶穩(wěn)定狀態(tài)下，礫巖的跨度和懸空面積也將達到一個最大值，即成為板狀懸空巖梁狀態(tài)，此時，離層空間的四周將形成應力集中區(qū)，而礫巖內(nèi)部原來的應力平衡狀態(tài)逐漸被破壞。當板狀礫巖層懸露面積達到一定程度后，由于礫巖自重應力的作用，使得礫巖層出現(xiàn)拉裂破斷，礫巖層底部開始緩慢下沉，并周期性的斷裂垮落，形成華豐煤礦特有的覆巖運動形式——礫巖運動。巨厚巖體的自重使礫巖體積蓄大量的彈性能，礫巖層斷裂垮落對下部的煤巖體產(chǎn)生強烈的沖擊動能，成為4煤工作面發(fā)生沖擊地壓的主要力源，從而引發(fā)了具有強烈的沖擊傾向性4煤的沖擊，突出表現(xiàn)在礫巖運動導致井下沖擊地壓現(xiàn)象極為嚴重。

隨著板狀或梁狀礫巖的斷裂，離層空間不斷縮小至被壓實，離層形成的集中應力也隨之消失。這種現(xiàn)象將隨著采面的推采周期性的發(fā)生，進而形成周期性的應力集中顯現(xiàn)和4煤沖擊地壓頻發(fā)的現(xiàn)象。

2 離層注漿對沖擊地壓的防治

通過以上分析可知，離層注漿對沖擊地壓的防治主要通過離層注漿對覆巖運動的控制來實現(xiàn)。只有有效地控制住了巨厚礫巖的運動，阻斷了4煤發(fā)生沖擊地壓的力源，才能有效減緩工作面沖擊地壓發(fā)生的力度和頻度。

2.1 離層注漿對覆巖運動控制的作用機理

離層注漿技術就是通過地面鉆孔，用高壓注漿泵，向離層空隙帶內(nèi)連續(xù)不斷地注入水、粉煤灰等材料混合配成的漿液，使之充填離層空隙帶，以支撐離層帶上部較堅硬、剛度較大的巖層。通過離層注漿，可以有效地限制或減少上覆巖層的彎曲破斷，抑制了地表的沉陷量、沉陷速度和沉陷范圍，同時減輕因覆巖運動而引發(fā)的沖擊地壓的危險[5-6]。

離層注漿控制上覆巖層運動的作用機理主要體現(xiàn)在[7-8]：①灰體充填支撐，就是粉煤灰漿液在沉淀壓實后形成的灰體起到支撐覆巖的作用。②漿體(水體)充填，就是漿液(及其中的水)在封閉的空間里是不可壓縮的，能起到支撐覆巖的作用，保證覆巖長期穩(wěn)定的作用。③軟巖膨脹，利用較軟巖層(如泥巖、砂泥巖等)中的黏土質(zhì)成分遇水崩解膨脹的特性，對巖層壓裂充水后崩解，體積增加，充填離層空隙，從而起到支撐覆巖的作用。實際上，離層注漿對上覆巖層的支撐控制作用不是單一機理作用的結果，而是多種機理共同起作用的結果，起到了你中有我，我中有你，相互支持，相輔相成的作用。

2.2 離層注漿鉆孔布置的確定

覆巖的離層位置、離層發(fā)育程度和離層范圍的精確掌控有助于確定注漿孔位置和鉆孔深度，是注漿起始時間和注漿量確定的主要依據(jù)[1]，對于實施注漿充填離層帶，有效控制上覆巖層運動，進而有效防治沖擊地壓具有重要意義。

根據(jù)理論研究、室內(nèi)試驗與現(xiàn)場經(jīng)驗[7,9]，注漿孔的擴散半徑一般在300m左右，但考慮到實際充填效果，并經(jīng)數(shù)礦現(xiàn)場調(diào)查得知：一般注漿半徑多為沿煤層走向160～250 m、沿煤層傾向130～200 m。對于近水平煤系地層，離層注漿孔一般布置在沿傾斜方向的中央，沿走向方向孔距為300～500m；對于傾角較大的煤系地層，鉆孔應布置在采區(qū)偏上山方向且預測離層發(fā)育高度最大的位置，沿走向方向孔距為200～400m，注漿時漿液就會先充填下山部分離層空間，進而充填盆地中心。以1407-08工作面為例，在工作面上半部沿走向共布置三個孔，注漿半徑為150～200m，考慮到工作面東邊界距村莊較遠，所以最東面的1#孔距1408工作面開切眼400m，1#孔和2#孔間距370m，2#和3#孔間距260m，鉆孔沿傾斜方向布置在預測離層發(fā)育高度最大的位置。為了及時有效地控制礫巖運動，減少沖擊地壓發(fā)生的可能性及強度，同時減少村莊變形，在區(qū)段下方再施工4#孔。如圖2、圖3所示。

圖2 注漿鉆孔孔位平面布置

圖3 離層注漿剖面及鉆孔傾斜位置圖

2.3 注漿工藝及系統(tǒng)

利用煤礦現(xiàn)有的材料和設施，首先從熱電廠將粉煤灰等充填骨料運至貯灰池、粉煤灰漿池，通過管泵將灰漿輸送至儲漿池，然后由潛水泵把漿液排至攪拌池，同時添加一定比例的水和添加劑，由攪拌機攪拌均勻至一定濃度的漿液，在高壓注漿泵的作用下，將漿液沿高壓管道排至注漿孔，注入離層帶中。在注漿前后均要先注水以沖洗管道，防止管道出現(xiàn)堵塞[1]。注漿工藝流程見圖4。

圖4 注漿工藝流程圖
(1)貯灰池；(2)灰漿池；(3)矸石山清水池；(4)儲漿池；(5)攪拌池；(6)攪拌機；(7)高壓泥漿泵；(8)孔口裝置；(9)注漿鉆孔；(10)潛水泵；(11)清水泵；(12)壓風機

在實施注漿的過程中，要嚴格執(zhí)行操作規(guī)程，經(jīng)常觀測、檢查注漿量和注漿孔壓力的變化情況，以便隨時分析、判斷井下離層空隙的充填效果，隨時調(diào)節(jié)輸漿量和泵壓。各注漿孔的孔口壓力的不斷變化，與覆巖離層的發(fā)育及注漿量有著密切的關系。利用孔口壓力的變化，來控制注漿量的大小，可以達到采注同步的目的。通過分析2#注漿孔在工作面開采期間孔壓的變化，來認識離層注漿的進度。2#孔開始注水時，孔口壓力為6MPa～7MPa，該壓力持續(xù)近5個月；工作面開采距注漿孔約100m后孔口壓力降至4.5MPa～5.0MPa，說明孔底已有超前離層開始發(fā)育；到工作面采過鉆孔60m時，孔口壓力降到3.9MPa，說明離層進一步發(fā)育，應加大注漿量；當工作面采過鉆孔220m時，壓力降至3.1MPa，離層發(fā)育過程良好；當采面采過鉆孔240m時，壓力突然降至1.6MPa，說明離層已充分發(fā)育，漿液流向離層的通道突然暢通，此時需加大注漿量。

至于離層裂隙注漿范圍的大小應是覆巖離層性、漿液性質(zhì)、注漿壓力和注漿時間等因素的函數(shù)。且離層裂縫是一個動態(tài)的延展過程，同時漿液在離層裂縫中的流動速度與漿液中顆粒的推進速度是不相同的，固體顆粒(如粉煤灰)在離層裂縫中發(fā)生沉淀時，泵動漿液仍然沿裂縫向前流動并隨著裂縫向前延伸，固體顆粒亦被帶入新擴展的離層裂縫區(qū)。

3 離層注漿防治沖擊地壓實施效果分析

從20世紀90年代以來，華豐礦連續(xù)進行了地表移動觀測，取得了大量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是分析注漿減沉效果和防治沖擊地壓的的主要依據(jù)，也為本礦地質(zhì)條件下巖層與地表移動的研究提供了寶貴的資料。已經(jīng)取得觀測成果的四個觀測站中，1405、1406、2406觀測站是屬于正常開采條件下的地表移動觀測站，1407-08是覆巖離層注漿條件下開采的地表移動觀測站。通過獲得數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：

1)注漿開采與正常開采相比，水平移動系數(shù)減少了0.06，主要影響角正切值減少37%，下山外邊緣地表水平變形明顯減弱，下山邊界沉陷范圍明顯縮小(縮小量達150m)；地表下沉系數(shù)降低了0.30，地表下沉得到有效遏制。1407-08工作面離層注漿后地表減少綜合下沉系數(shù)率達50%以上；同時，地表下沉速度也明顯降低，實測最大下沉速度比正常開采時最大下沉速度減小了42%。

2)離層注漿有效控制了上覆巖體的運動形式，極大地改善了4煤沖擊地壓力源的結構，大大減少了4煤工作面沖擊地壓的發(fā)生的次數(shù)，尤其降低了沖擊地壓的強度，對煤礦安全生產(chǎn)起到了積極作用。

結合6煤解放層的開采和沖擊地壓微震監(jiān)控系統(tǒng)的應用，4煤防沖形勢得到了根本性好轉，杜絕了惡性沖擊地壓事故的發(fā)生。對比正常開采條件與離層注漿條件下的微震監(jiān)測結果[10]，發(fā)現(xiàn)實施離層注漿后，離層空間的上覆礫巖得到充填體的支撐，礫巖層下部的斷裂點大幅減少，礫巖運動較為緩和沒有發(fā)生大面積的垮斷，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，工作面沖擊地壓發(fā)生的危險性大大降低了。

4 結語

沖擊地壓的防治是一項綜合技術措施實施的結果，在傳統(tǒng)井下沖擊地壓防治的基礎上，要結合礦井實際具體分析沖擊地壓發(fā)生的根本原因和運動機理，探討有效防治措施，從根本上阻斷災害發(fā)生的途徑。華豐煤礦多年的防沖實踐也充分證明了巨厚礫巖條件下的覆巖離層空隙注漿能有效的控制離層上覆巖層的垮落運動，礫巖層底部不發(fā)生大面積斷裂垮落，礦井沖擊地壓危害大大降低。

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