覆巖離層注漿減沉工程有關技術問題研究

隋惠權,劉聰隆

（1.大連民族學院土木建筑工程學院,遼寧 大連 116605；2.邁進 （香港）有限公司,香港）

覆巖離層注漿減沉工程有關技術問題研究

隋惠權1,劉聰隆2

（1.大連民族學院土木建筑工程學院,遼寧 大連 116605；2.邁進 （香港）有限公司,香港）

采用流體力學的理論方法結合相似材料模擬實驗研究成果,對覆巖離層形成的過程、注漿時機、注漿壓力、漿液在離層空間內(nèi)的流動規(guī)律進行了研究。注漿液在離層空間內(nèi)的流動形式與離層空間的大小、圍巖的滲流特性、工作面的推進速度位置等因素有關,根據(jù)實驗結果可將漿液在離層空間內(nèi)的流動分為三種形式:即以鉆孔為中心的徑向流動；以明渠“挾質”形式流動；以密實擠壓形式流動。前兩種形式一般發(fā)生在離層空間未充滿漿液的前提下,而后一種則是在離層空間已被充滿時的繼續(xù)高壓注入,即飽和密實擠壓注漿充填。只有達到飽和密實充填才能取得理想的注漿效果。

地下采礦；離層帶注漿；壓力控制；漿液流動

地下采礦形成地下空洞并逐步發(fā)展至地表,致使地面塌陷,形成地表塌陷盆地。由此可造成環(huán)境破壞、農(nóng)田絕產(chǎn)、道路交通受阻、地面建筑設施損壞,甚至危及人身安全。在地下采礦的同時如果采取適當措施,及時充填采空區(qū)可減少或避免這種危害的影響,例如目前經(jīng)常采用的水砂充填法、干式充填法和膠結充填法等等。覆巖離層注漿充填則是一種正在研究和有待于進一步完善的技術手段[1]。該項技術的核心是在采空區(qū)上方地表適當位置打鉆,通過鉆孔高壓將電廠粉煤灰與水按照一定的比例配成漿液注入到導水裂隙帶以上的彎沉帶地層中,達到控制與減緩地表沉降的目的。在實施該項技術中,掌握覆巖破壞及離層的形成位置、發(fā)展規(guī)律、注漿時機、壓力控制和漿液在離層空間的流動形式是技術的關鍵。本文運用流體力學的理論與方法結合模擬實驗結果,對上述有關問題進行了研究,并針對工程實踐,提出了實施該項技術時的一般原則。

1 采空區(qū)上方離層形成與發(fā)展過程

實施覆巖離層注漿充填方法,必須有效控制注漿層位、注漿時機和注漿壓力,這些因素與采空區(qū)上方離層形成與發(fā)展過程密切相關[2-8]。用相似材料模擬實驗方法,對長壁式采煤全部垮落法管理頂板采動過程中覆巖塌陷與沉降規(guī)律進行模擬,實驗結果表明,在工作面推進過程中,隨著采空區(qū)面積的不斷擴大,煤層上方的巖層按著一定的垮落步距順序垮落。根據(jù)覆巖破壞形式,一般將破壞區(qū)劃分為三帶,即冒落帶、斷裂帶和彎曲帶。在離層注漿工程中,為防止?jié){液潰入井下,注漿層位應選擇在導水裂隙帶以上的彎曲沉降帶內(nèi)。采動過程中覆巖的沉降、變形與斷裂過程如圖 1,圖中 hi為離層帶的位置；Hm為冒落帶高度；Hd為斷裂帶高度；Hw為整體彎沉帶；hb為保護層厚度；W（x）為地表下沉曲線。

圖1 覆巖破壞與離層發(fā)展示意圖

由圖 1覆巖沉降與離層發(fā)展過程可以看出,隨著采場范圍的擴大,離層帶逐漸向上發(fā)展,如果在設計位置實施注漿,及時充填離層空間,可阻止其沉降和離層進一步向上發(fā)展,達到減緩上覆巖層及地表沉降,減少和消除其危害的目的。離層空間內(nèi)的邊界條件較為復雜,漿液的流動與注漿壓力、離層空間的幾何尺寸、位置、巖層的滲透性能有直接關系。離層空間內(nèi)任意點的沉降量可用一連續(xù)函數(shù)來描述,設其沉量為W（x,y）,則

式中,m為開采礦層厚度；q為下沉系數(shù)；α為煤層傾角；r為主要影響半徑。各參數(shù)由實測資料用綜合分析方法求得。

2 注漿壓力控制

在采動過程中,及時高壓充填已形成的離層空間對減緩和阻止沉降和離層向上發(fā)展至關重要,關系到整個注漿減沉工程的成敗。在開采超前影響線到達離層帶位置前,應實施高壓注水使其在預定位置及早形成離層。在形成離層前泵壓相對較高,在鉆孔的底部壓力水頭可按下式計算:

式中,P2為鉆孔底部壓強,P1為泵壓,Hz為鉆孔深度,γ為水的重度,ξi為管道局部阻力因數(shù),li為各段管道長度,d為管道直徑,λ為管道沿程阻力因數(shù),g為重力加速度。

當泵壓較大,流速很小,離層空間沒有形成時,上式可以簡化為

在已充填的粉煤灰中視其流動為恒定滲流,則

此時當泵壓達到 100個大氣壓 （約 10M Pa）,鉆孔深度約 400m時,孔底壓強可達 14M Pa。在高壓力作用下,于巖層內(nèi)部可形成劈裂水楔,促使離層在設計位置及早地形成并保證不至于過早地閉合。一旦形成離層空間,泵壓將急劇下降,此時應提高漿液濃度,加大注漿量并持續(xù)注入,以保證及時地充填離層空間。設離層空間內(nèi)某點的流速為 ux,uy,uz,根據(jù)流體力學的理論可導出其連續(xù)方程為

式中,H是滲流場中任一點的總水頭,k是滲流系數(shù)。方程 （4）和 （5）構成封閉方程組,可求解流場中任一點的流速和水頭。

3 漿液在離層空間內(nèi)的流動形態(tài)

由于離層空間形成的大小、時間、位置、圍巖的滲流流量、地下采礦工作面的推進速度、停止位置等因素與注漿能力及流量有直接關系,根據(jù)模擬實驗結果可將注漿液體在離層空間內(nèi)的流動分為以下三種形式:

（1）以鉆孔為中心的徑向流動。如果離層空間足夠大,未能及時被充填,且離層底板的滲流量Qs＞注漿流量 Q z,此時離層帶內(nèi)注漿孔附近流速場可近似表示為

由相似材料模擬實驗可知,離層帶內(nèi)充填介質首先在以鉆孔為中心的一定半徑內(nèi)沉積,其流速可用方程（6）來描述,在鉆孔附近由于流速較大和間歇注水沖刷作用 （為防止堵井,在泵壓增加時實施注水）,漿液中的固體介質沉淀相對較少,如圖 2。

圖2 以鉆孔為中心的徑向流動與沉淀

隨著開采范圍的增大,在一定的時間段內(nèi)離層空間達到最大值,如果注漿量達不到設計要求,泵壓可能接近零,甚至降為負壓而產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象,此時應加大注漿量和注漿濃度,以提高注漿效果。

（2）以明渠“挾質”形式流動。由相似材料模擬實驗可知,在離層空間足夠大的情況下 （離層空間未充滿漿液）,充填漿液在離層空間內(nèi)將以非恒定明渠流的方式從注漿孔位置開始向遠處流動,水流挾帶粉煤灰并將其輸送到離層空間的邊緣,如圖 3。

圖3 離層空間內(nèi)未充滿漿液時的流動狀態(tài)

此時,根據(jù)臨界流速的大小,可將水流對灰質的運移輸送分為推移質流動、懸移質流動和垂直于流動方向的橫向擴散運動三種形式。對于懸移質流動,臨界流速和水流的挾質能力是兩個重要的參數(shù),與漿液的配置濃度、灰沙含量、比重、流道斷面的形態(tài)、水深和水力坡度等因素有關[9]。對于所配置的不同濃度或重度的灰漿,使其達到懸移質輸送狀態(tài),其臨界流速是不同的,可用實驗方法或經(jīng)驗公式求得。

（3）飽和密實擠壓注漿充填。當?shù)叵鹿ぷ髅嫱七M已停止,地面尚未達到充分采動,離層空間已被漿液充滿且范圍不再擴大,此時所進行的高壓注漿稱為密實擠壓充填注漿,如圖 4。

圖4 飽和密實擠壓注漿充填

由于注入在離層空間內(nèi)的高壓漿液作用于四周的圍巖,擠壓其下部巖層,使巖層移動過程中所形成的裂隙和碎裂空間被壓實。此時的巖體可視為多孔介質,在滲透力的作用下,通過圍巖水被滲流擴散,固體充填物脫水沉淀。在不斷注入的漿液及水的作用下,充填質體積和密實程度不斷增加,進而支撐了上覆巖層,阻止或減小其彎曲下沉。

4 結 語

覆巖離層注漿減沉技術是一項新的地層控制技術,對于控制和減緩由地下采礦引起的地表大面積塌陷和由此帶來的危害是一種行之有效的方法。通過以上研究表明:注漿液在離層空間內(nèi)的流動形式與離層空間的大小、圍巖的滲流特性、工作面的推進速度和位置等因素有關。根據(jù)模擬實驗結果可將漿液在離層空間內(nèi)的流動形式分為:①以鉆孔為中心的徑向流動；②以明渠“挾質”形式的流動；③以密實擠壓形式流動。前兩種形式一般發(fā)生在離層空間未充滿漿液的前提下,而后一種則是在離層空間已被充滿時的持續(xù)高壓注入,即飽和密實擠壓注漿充填,只有達到飽和密實充填才能取得理想的注漿效果。為了保證注漿工程質量,提高減沉效果,研究采動巖體內(nèi)部的移動和變形規(guī)律、注漿的控制因素、漿液在離層空間內(nèi)的流動與存在狀態(tài),對于指導注漿工程設計,合理選擇注漿設備及參數(shù),正確確定注漿井的孔位,按時間與階段控制注漿壓力,取得最佳減沉效果是十分必要的。

[1]隋惠權,王忠林.覆巖離層注漿控制地表沉降技術的理論與實踐 [J].巖土工程學報,2000,23（4）:500-512.

[2]王素華,高延法,付志亮.注漿覆巖離層力學機理及其離層發(fā)育分類研究[J].固體力學學報,2006,12:164-168.

[3]向龍,肖均,陳壽根.采空區(qū)上覆巖體離層發(fā)展規(guī)律研究 [J].公路隧道,2009（3）:13-16.

[4]劉金海,馮濤,萬文.煤礦離層注漿減沉效果評價的彈性薄板法[J].工程力學,2009,11:252-256.

[5]孫衛(wèi)華,朱偉,鄭祥本.覆巖離層注漿減沉技術的應用與發(fā)展現(xiàn)狀[J].煤炭技術,2008,27（2）:81-83.

[6]隋惠權,趙德深.覆巖采動的動態(tài)模擬與離層帶充填技術研究[J].遼寧工程技術大學學報,2002（5）:557-559.

[7]隋惠權.范學理.礦區(qū)塌陷控制與災害防治技術研究[J].中國地質災害與防治學報,2002（3）:43-45.

[8]JAM ESCN,CHENG Wenchieh.Grout efficiency of lifting structure in soft clay[J].ASCE,2009.

[9]吳持恭.水力學 [M].北京:高等教育出版社,2003.

（責任編輯 鄒永紅）

Study on Technical Issues of Grouting in Overburden-separation Project

SUI Hui-quan1,L IU Cong-long2
（1.College of Architecture＆Civil Engineering,Dalian Nationalities University,Dalian Liaoning,116605,China；2.Meinhardt Hong Kong Limited Company,Hong Kong,China）

According to the theory of fluid mechanics and the studies of simulation experiments,the process of overburden separation,grouting time,pressure and slurry flow regime are investigated.Due to slurry flow regime in the separation relate to the space size of separation,seepage velocity,mining rate,working face location and other factors,according to the experiments,the pattern of slurry flow can be divided into three patterns.One is radial flow around d rilling center.Another is open channel flow bring with granules.And the other is dense flow by the form of squeeze.Generally,the first two flow occurred under the situation of the separation space being not filled with slurry,and the latter is filled with under the situation of continued pressure grouting.The effect of reducing subsidence should be achieved only with compacted fill in separation.

underground mining；grouting in separation；pressure control；slurry flow

TD 325.2 < class="emphasis_bold">文獻標志碼:A

A

1009-315X（2011）01-0037-04

2010-08- 17；

2010-10-13

隋惠權 （1960-）,男,遼寧丹東人,教授,主要從事現(xiàn)代測繪技術、減防災工程研究。